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INFORME TÉCNICO 2017

PROGRAMA ASTURIAS – 2016-2017

Título actuación: Investigación y desarrollo de

equipos de impresión 3D personalizados para

sectores estratégicos: de la bioimpresión a la

biosensórica -CUSTOM3D-

Nº Expediente: IDI/2016/000235

Entidad Beneficiaria:

Fundación PRODINTEC (CIF: G33914557)


Proyecto Investigación y desarrollo de equipos de impresión 3D

personalizados para sectores estratégicos: de la bioimpresión a la


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ÍNDICE

A INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 3

B CUMPLIMIENTO DE OBJETIVOS ......................................................................... 4

C METODOLOGÍA .................................................................................................... 5

C.1 ACTIVIDADES REALIZADAS ....................................................................................... 6

D RESULTADOS ALCANZADOS ........................................................................... 10

D.1 NUEVOS CAMPOS DE APLICACIÓN PARA LA BIOIMPRESIÓN, BIOSENSÓRICA E

IMPRESIÓN 4D ....................................................................................................................... 10

D.1.1 Personalización en procesos de bioprinting ............................................................ 10

D.1.2 Nuevos conceptos de impresión 3D para biosensórica .......................................... 34

D.1.3 Impresión 4D como reto de desarrollo .................................................................... 54

D.2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TÉCNICAS AVANZADAS DE IMPRESIÓN 3D

PARA EL SECTOR ALIMENTARIO ......................................................................................... 63

D.2.1 Personalización de equipos de impresión 3D para la industria alimentaria. ........... 63

D.2.2 Ingeniería de detalle ................................................................................................ 64

D.2.3 Realización de experimentos y evaluación de resultados. ..................................... 73

D.2.4 Conclusiones. ........................................................................................................ 112

D.3 INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DE FABRICACIÓN

ADITIVA PARA LA INDUSTRIA FARMACEÚTICA ............................................................... 112

D.3.1 Introducción ........................................................................................................... 112

D.3.2 Diseño conceptual de cabezales y elementos auxiliares ...................................... 113

D.3.3 Ingeniería de detalle .............................................................................................. 116

D.3.4 Fabricación ............................................................................................................ 131

D.3.5 Validación de trabajos ........................................................................................... 133

D.3.6 Conclusiones ......................................................................................................... 147

D.4 TRANSFERENCIA DE RESULTADOS ..................................................................... 148

D.4.1 Actividades de transferencia ................................................................................. 148

D.4.2 Estrategia de protección de resultados ................................................................. 155





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A INTRODUCCIÓN

La posibilidad de disponer de una libertad de diseño, unida al avance en materiales y

tecnologías abren de manera constante puertas de desarrollo dentro del ámbito de la

impresión 3D. En este sentido, la ingeniería tisular se posicionó como uno de los

primeros campos de actuación donde, la aplicación de tecnologías de fabricación

avanzas, supuso un punto de inflexión en el desarrollo de la ciencia. La posibilidad de

obtener andamios (scaffolds) biocompatibles exógenos en los que los que las células

se pudieran sembrar y madurar in vitro o in vivo en aras de conseguir el posterior

tejido/órgano de interés resultó esencial para el desarrollo sectorial.

Los trabajos incipientes aparecidos en este campo llevaron a PRODINTEC a

considerar la posibilidad de complementar su experiencia y conocimiento en el campo

de la fabricación aditiva (AM) industrial en el sector salud, iniciando trabajos en el

campo de la impresión de scaffolds por tecnologías convencionales de impresión 3D

para, en el año 2013, iniciar los primeros trabajos evolutivos en el desarrollo de un

nuevo concepto de impresión 3D personalizada: la bioimpresión (o bioprinting). De

esta manera se inició una andadura de investigación y desarrollo con tres premisas

claras que marcaban el camino: (i) no existe una maquina universal de bioimpresión,

siendo necesario el desarrollo de equipos personalizados que respondan a las

características físico-químicas de las tintas a imprimir; (ii) es necesario disponer de

información y trabajo multidisciplinar para obtener productos finales óptimos y; (iii) la

información (publicaciones y patentes) es relativamente corta comparada con otras

áreas del conocimiento.

Estos trabajos iniciales fueron abordados dentro del proyecto “Diseño y desarrollo de

equipos de bioimpresión para utilización en procesos de ingeniería tisular” financiado

por el Programa Asturias 2014-2015, obteniendo como principal resultado el desarrollo

de una bioimpresora capaz de abordar procesos de impresión de diferentes materiales

y tintas para su empleo en ingeniería tisular. Gracias a la información y experiencia

conseguidas con el desarrollo del mismo se pudo constatar aún más que no hay una

bioimpresora universal y, por tanto, la necesidad de personalización resultaba esencial

a la hora de poder desarrollar equipos. Esta personalización debía estar centrada en

dos elementos clave: (i) la elección de la técnica de impresión 3D seleccionada y; (ii) el

diseño y desarrollo de los cabezales de impresión a utilizar.

Por este motivo, gracias a la experiencia adquirida hasta la fecha, con el presente

proyecto PRODINTEC ha continuado con la línea de trabajo de I+D de equipos de

impresión 3D personalizados para la expansión del conocimiento adquirido a nuevas

áreas del conocimiento tanto en ingeniería tisular, como en otros sectores estratégicos

como la alimentación, la biosensórica o la industria farmacéutica.





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B CUMPLIMIENTO DE OBJETIVOS

El objetivo general del proyecto es el desarrollo de tecnologías propias en

impresión 3D capaces de llevar a cabo trabajos de impresión personalizados para

sectores estratégicos (ingeniería tisular, alimentación, biosensórica o farmacéutica.

Para conseguir este objetivo general se han definido los siguientes objetivos técnicos

específicos:

O1. Llevar a cabo el diseño y desarrollo de nuevos cabezales para la

personalización de la tecnología de bioimpresión en nuevos campos de

aplicación.

O2. Realizar el diseño y desarrollo de equipos de impresión 3D para su

aplicación en el sector de la alimentación.

O3. Abordar un proceso de investigación y desarrollo de herramientas de

fabricación aditiva para la industria farmacéutica.

O4. Llevar a cabo las tareas de transferencia tecnológica de los resultados

obtenidos.

Para asegurar una gestión óptima del proyecto y una correcta monitorización del grado

de avance se han establecido diferentes indicadores asociados a la consecución de

dichos objetivos específicos. A continuación, se muestran los indicadores definidos

para cada objetivo y el nivel de cumplimiento alcanzado en la finalización del proyecto.

ID DETALLE Y MEDICIÓN CUMPLIMIENTO

01 O1.1. Llevar a cabo la personalización de equipos de impresión 3D para

aplicaciones específicas.

E1.1. Evaluación de resultados parciales correspondientes a primera

anualidad.

E1.2. Evaluación de resultados correspondientes a especialización en

nuevos campos de bioimpresión.

Cumplido

O1.2. Desarrollar elementos y herramientas de bioimpresión aplicadas a

la investigación de biosensores.


anualidad.



Cumplido

O1.3. Adquirir know how, procedimientos y herramientas para abordar

satisfactoriamente impresiones 4D.


anualidad.



Cumplido





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ID DETALLE Y MEDICIÓN CUMPLIMIENTO

02 O2.1. Establecer los requerimientos de partida para el desarrollo de

equipos de impresión 3D personalizados en el sector alimentario.

E2.1. Definición de requerimientos para impresión en sector alimentario.

Cumplido

O2.2. Llevar a cabo la personalización de equipos de impresión 3D para

la industria alimentaria.

E2.2. Prototipo en funcionamiento. Análisis de resultados experimentales.

Cumplido

03 O3.1. Llevar a cabo un análisis de requerimientos propios y particulares

del sector farmacéutico para herramientas de fabricación aditiva.

E3.1. Informe de definición de requerimientos de las herramientas de

fabricación aditiva para el sector farmacéutico.

Cumplido

O3.2. Realizar el desarrollo de cabezales específicos y a medida para la

aplicación en el sector farmacéutico.

E3.2. Prototipo validado.

E3.3. Evaluación de resultados.

Cumplido

04 O4.1. Establecer una interacción con entidades complementarias que

puedan estar interesadas en las tecnologías y productos a conseguir

con el proyecto.

E4.1. Conclusiones actividades de transferencia de resultados primera

anualidad.

E4.2. Conclusiones actividades de transferencia de resultados segunda

anualidad.

Cumplido

O4.2. Incrementar la participación en proyectos de I+D presentados en

programas de financiación pública, bien como socios, bien como

colaboradores externos.

E4.1. Conclusiones actividades de transferencia de resultados primera

anualidad (M13)

E4.2. Conclusiones actividades de transferencia de resultados segunda

anualidad (M24).

Cumplido

O4.3. Analizar la estrategia de protección de las tecnologías y

productos desarrollados.

E4.3. Estrategia de protección de resultados

Cumplido

C METODOLOGÍA

Para la consecución de los objetivos planteados en el presente proyecto se han

considerado 3 paquetes de trabajo técnicos principales, los cuales se encuentran

divididos en tareas análogas de desarrollo, más un cuarto paquete de trabajo dedicado

a los procesos de transferencia de resultados.





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C.1 ACTIVIDADES REALIZADAS

A continuación, se resumen las acciones realizadas en cada tarea y su estado al final

de la anualidad 2017.

PT1. NUEVOS CAMPOS DE APLICACIÓN PARA LA BIOIMPRESIÓN,

BIOSENSÓRICA E IMPRESIÓN 4D

Tarea 1.1. Personalización en procesos de bioprinting. FINALIZADA

La primera tarea del proyecto toma como punto de partida los trabajos llevados a cabo

por PRODINTEC previamente, tanto el inicial realizado durante el anterior Programa

Asturias, como lógicamente los conseguidos durante la primera anualidad del presente

proyecto. Partiendo de la base de la no existencia de una bioimpresora universal, se

llevaron a cabo los trabajos de personalización de cabezales acorde a las posibles

tintas utilizables para el desarrollo de validaciones. En ellos, el desarrollo de la

electrónica y la fabricación a través de tecnologías de impresión 3D convencionales

son esenciales. A partir de los trabajos previos realizados en la primera anualidad se

ha podido llevar a cabo un trabajo de personalización de equipo basado en un

concepto claro de modularidad donde el desarrollo de la electrónica y los cabezales

han sido claves.

Tarea 1.2. Nuevos conceptos de impresión 3D para biosensórica. FINALIZADA

La segunda tarea se centra en el desarrollo de trabajos encaminados a la obtención de

herramientas, técnicas y procedimientos dirigidos a la obtención de biosensores. A

partir de los trabajos realizados durante la primera anualidad centrados en la

realización de un estudio en profundidad de las biotintas utilizadas y la selección de

tipologías de impresión, durante la segunda anualidad se ha conseguido llevar a cabo

experimentos de migración que muestran la viabilidad de la personalización de

equipos de bioimpresión 3D en este campo.

Tarea 1.3. La impresión 4D como reto de desarrollo. FINALIZADA

La tercera tarea técnica del hito está centrada en conseguir profundizar en procesos

de impresión 4D (la “cuarta” dimensión es el tiempo) y cómo responden productos

impresos en 3D a determinados estímulos de su entorno. Para ello, a partir del análisis

de situación de la impresión 4D en cuanto a materiales impresos, tecnologías

empleadas y potencialidad de las mismas recogidos como resultados de la primera

anualidad, se llevó a cabo el trabajo experimental donde, a partir de materiales

comerciales aplicables, se mostraron las principales aplicaciones que en este campo

pueden ser llevadas a cabo.

Tarea 1.4. Evaluación de los resultados. FINALIZADA

La última tarea del HITO se centró en la evaluación de los resultados obtenidos. Para

ello, y dada la evolución del proyecto a lo largo de dos anualidades, se planteó un hito

de control a la finalización de cada una de ellas donde, en lo referente a la primera





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anualidad, esta fue presentada dentro del entregable E1.1, quedando para esta

segunda anualidad recogida dentro del entregable E1.2. En esta segunda anualidad se

han producido de manera principal los diversos procesos de impresión 3D a través de

los equipos personalizados desarrollados. Los resultados obtenidos han sido

transferidos y mostrados a entidades potencialmente interesadas que han servido en

muchos casos como punto de partida para posteriores trabajos, algunos ya

avanzados, y otros pendientes de ejecución en un futuro próximo.

ENTREGABLES (INDICADOR DE RESULTADOS)

• E1.1. Evaluación de resultados parciales correspondientes a primera anualidad.

Realizado

• E1.2. Evaluación de resultados correspondientes a especialización en nuevos

campos de bioimpresión. Realizado.

PT2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TÉCNICAS AVANZADAS DE IMPRESIÓN

3D PARA EL SECTOR ALIMENTARIO

Tarea 2.1. Análisis de líneas de trabajo y definición de requerimientos. FINALIZADA

La primera tarea del HITO se centró en el estudio de los campos de aplicación de la

impresión 3D dentro del sector de la alimentación, realizando una evaluación desde el

punto de vista técnico y buscando potencialidades atractivas para entidades del sector.

Fue justificada en la primera anualidad.

Tarea 2.2. Ingeniería de detalle. FINALIZADA

Durante la segunda tarea se llevaron a cabo todos los trabajos de diseño e ingeniería

encaminados a conseguir el objetivo general de la tarea. De este modo, a partir de los

resultados obtenidos en la tarea previa, se realizaron los diseños conceptuales del

equipo que permitieron ver las posibilidades de la ingeniería de detalle realizada a

continuación donde la electrónica de control y el diseño estructural de los equipos han

supuesto la mayor carga de trabajo. Justificado en la primera anualidad.

Tarea 2.3. Implementación de las herramientas de impresión. FINALIZADA

A partir de los primeros trabajos realizados en la primera anualidad se llevaron a cabo

los trabajos de mejora (reingeniería) necesarios para obtener un equipo de impresión

de mejor funcionamiento. Estos trabajos dieron lugar a un nuevo cabezal que mejora

el anterior, así como los procesos de impresión propiamente dichos.

Tarea 2.4. Realización de experimentos y evaluación de resultados. FINALIZADA

El hito de trabajo termina con la realización de la fase experimental propiamente dicha.

A partir de los resultados del primer año de trabajo, se llevaron a cabo la mejora de

diseño de equipo y, con ello, las pruebas de validación centradas en texturización de

líquidos de diferente naturaleza con resultados altamente esperanzadores.


• E2.1. Definición de requerimientos para impresión en sector alimentario. Realizado





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• E2.2. Prototipo en funcionamiento. Análisis de resultados experimentales. Realizado

PT3. INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DE FABRICACIÓN

ADITIVA PARA LA INDUSTRIA FARMACEÚTICA

Tarea 3.1. Definición de requerimientos. FINALIZADA

El sector farmacéutico presenta una serie de condicionantes muy específicos

inherentes a su actividad. Por una parte, está el marco normativo de aplicación,

complejo y estricto, y por otra, los condicionantes puramente técnicos o tecnológicos.

Debido a esto, la primera tarea del proyecto se centró en la definición de aquellos

requerimientos esenciales basados en a) aspectos normativos y de seguridad, b)

requerimientos de los materiales o medicamentos genéricos a imprimir y, c)

requerimientos del producto impreso. Justificada en la primera anualidad.

Tarea 3.2. Diseño conceptual de cabezales y elementos auxiliares. FINALIZADA

Gracias a los trabajos previos se pudo identificar como elemento clave de trabajo en la

presente anualidad la dosificación de principios activos (APIs) a través de la impresión

3D. En este sentido, dos son las principales alternativas de trabajo definidas para su

aplicación de diseño, ingeniería y validación: a) FDM (Modelado por deposición

fundida). Empleando para ello un polímero soluble en agua (PVA-Polyvinyl Alcohol) en

el cual se embeben los principios activos de trabajo y b) Extrusión utilizando

hidrogeles. En ambos casos, se llevó a cabo el trabajo de diseño conceptual de los

cabezales a emplear. Además, finalmente se abordó el diseño de un elemento auxiliar

pero no menos importante, reaction ware.

Tarea 3.3. Ingeniería de detalle. FINALIZADA

Los trabajos de ingeniería de detalle estuvieron basados en un trabajo intensivo a nivel

de simulación que concluyeron dando lugar a los cabezales para fabricación, así como

en la personalización de la electrónica asociada al funcionamiento del equipo. Con

todo ello, se disponía de la información necesaria para abordar la tarea de fabricación

y validación de la tecnología.

Tarea 3.4. Fabricación de los cabezales y realización de pruebas. FINALIZADA

Todos los elementos diseñados previamente (hardware y electrónica) fueron

fabricados y con ellos se llevaron a cabo las pruebas de validación centradas en dos

tipologías diferentes de impresión 3D: Extrusión y FDM.

Tarea 3.5. Evaluación de resultados. FINALIZADA

Los resultados obtenidos muestran un camino potencial de futuros desarrollos

siempre, eso sí, con entidades expertas en farmacia y farmacología. Es necesario

reformular los principios activos (APIs) de tal manera que sea posible establecerlos

como “tinta” para su empleo en impresión 3D. Un ejemplo de ello fueron los resultados

conseguidos en la impresión de los medicamentos como geles para su empleo en

personas con problemas de deglución.






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• E3.1. Informe de definición de requerimientos de las herramientas de fabricación

aditiva para el sector farmacéutico. Realizado

• E3.2. Prototipo validado. Realizado

• E3.3. Evaluación de resultados. Realizado

PT4. TRANSFERENCIA DE RESULTADOS

Tarea 4.1. Actividades de transferencia. FINALIZADA

Gracias al know-how propio que dispone PRODINTEC y a la experiencia adquirida en

el desarrollo del proyecto previo de I+D en el campo de la bioimpresión, el Centro

Tecnológico era consciente de la necesidad de establecer una potente actividad de

transferencia tanto de tecnologías, como de resultados, en aras de buscar potenciales

socios y clientes para los desarrollos de los productos. Con ello se pretende generar

en el tejido empresarial un interés por el desarrollo de estas tecnologías, buscando su

involucración en la participación de proyectos tanto de financiación privada, como

pública.

En esta línea, durante la primera anualidad se llevó a cabo la definición de la

estrategia de transferencia tanto en el material a emplear, como en los objetivos de la

misma que permitió su empleo en la interacción con más de 30 entidades, dando lugar

a la presentación de 3 proyectos a convocatorias de ayudas públicas.

A partir de ello, durante la segunda anualidad se ahondaron en los trabajos de

transferencia, recogiendo 50 principales entidades, firmando acuerdos de colaboración

con diferentes entidades y participando como ponente en eventos de índole nacional e

internacional. Con todo ello, se pudo participar en 5 proyectos de I+D de diferente

naturaleza tal y como recoge el entregable.

Tarea 4.2. Estrategia de protección. FINALIZADA

Como tarea final del proyecto se abordó un análisis acerca de la potencial necesidad

de protección de los resultados del proyecto. Los trabajos realizados confirmaron la

estimación previa: la dificultad de protección en equipamientos de impresión 3D dado

lo ya existente. Por ello, se estima que la única opción de futuro debe pasar por la

protección de un proceso global, donde se proteja la generación de un nuevo tejido a

partir de una nueva biotinta que emplee una bioimpresora personalizada para tal fin.


• E4.1. Conclusiones actividades de transferencia de resultados primera anualidad.

Realizado

• E4.2. Conclusiones actividades de transferencia de resultados segunda anualidad.

Realizado

• E4.3. Estrategia de protección de resultados. Realizado





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D RESULTADOS ALCANZADOS

A continuación, se describen los resultados obtenidos en la anualidad 2017 del

proyecto.

D.1 NUEVOS CAMPOS DE APLICACIÓN PARA LA BIOIMPRESIÓN, BIOSENSÓRICA E IMPRESIÓN 4D

D.1.1 Personalización en procesos de bioprinting

D.1.1.1 Punto de partida

Dentro del primer hito del proyecto, “Nuevos campos para la bioimpresión,

biosensórica e impresión 4D”, la primera tarea se centró en la continuación de los

trabajos llevados a cabo por PRODINTEC en la personalización en procesos de

bioimpresión propiamente dichos.

Para ello, durante la primera anualidad del proyecto se apostó de manera clara por un

concepto de desarrollo de productos: modularidad. De esta manera, la experiencia de

PRODINTEC tanto en el campo de la impresión 3D, como en el desarrollo de equipos

a medida hizo que la opción de personalización más óptima era aquella que permitía

disponer de una estructura base a partir de la cual se pueda conseguir un desarrollo

ágil de la citada personalización, siendo esto posible a través de dicho concepto

donde, tal y como se muestra en la figura 2, el equipo está compuesto por una serie de

sistemas (hardware y software) capaces de ser modificados e implementados en

cuanto a modularidad en función de su aplicación.

Fig. 2 Diagrama de bloques general de la bioimpresora





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En esta línea de trabajo y si nos centramos en el hardware, se determinó abordar el

desarrollo de un backplane con un esquema como el mostrado en la Fig. 3 Diagrama

de bloques del hardware a desarrollar.

Fig. 3 Diagrama de bloques del hardware a desarrollar

Este enfoque de desarrollo de hardware permite implementar el control en diversos

tipos de procesador y con diferentes programas. Uno de ellos es usar una opción de

software totalmente modular, en el que el programa de control esté conformado por

bloques de código interconectados. De este modo, la bioimpresora es capaz de

adaptarse a cualquier proceso de bioimpresión. Es más, este enfoque doble de

modularidad (software y hardware) abre una nueva puerta de trabajo, evitando ser

restringido solamente a la bioimpresión, y pudiendo ser aplicado al resto de líneas de

investigación abordadas tanto en el presente proyecto (impresión 4D, impresión de

fármacos y biosensores), como en nuevas actuaciones futuras.

D.1.1.2 Ingeniería de detalle electrónica

La ingeniería de la electrónica de control fue comenzada durante la anualidad de 2016,

llegando a realizarse la definición de requerimientos y los trabajos de diseño y

selección de componentes del soporte del backplane y uno de los módulos de control.

Fig. 4 Backplane en el rack seleccionado

A partir de dichos trabajos, en la anualidad 2017 se ha continuado con el desarrollo de

hardware centrado en los siguientes elementos:





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Módulo de alimentaciones.

Módulo de control a medida.

Módulo de control basado en Arduino

Módulo de control de sistema de posicionamiento.

Módulo de control de extrusores genérico.

Módulo genérico de control de refrigeración.

Esta situación de modularidad permite el fin marcado como prioritario al inicio del

proyecto: se podrá aplicar el desarrollo de los mismos y su implementación en función

de las necesidades de impresión, tanto en el campo de la bioimpresión, como en los

sectores paralelos de desarrollo como farma o biosensórica, tal y como aparecerá

reflejado a lo largo de la presente memoria.

Los equipos de impresión de comida quedan exentos de tal aplicación al partir de

distintos requerimientos: es un tipo de máquinas que, por enmarcarse dentro del

mercado de la electrónica de consumo, implica un factor de forma para la electrónica

en el que se busca la miniaturización y la reducción de costes frente a robustez y

modularidad.

Con todo ello, para los módulos de control se realiza un desarrollo y configuración del

software correspondiente. Para cada una de estas etapas se definieron una serie de

test para verificar el correcto funcionamiento. El flujo de desarrollo seguido es clásico

para un diseño de PCB:

Generación de especificaciones.

Selección de componentes.

Diseño de esquemas.

Ruteado.

Fabricación.

Soldadura.

Test eléctricos definidos.

Con todas las PCBs fabricadas y testeadas de forma independiente, se realizan las

pruebas de integración de todo el sistema, es decir, se prueba a realizar movimientos

de la impresora con todos los módulos que sea posible. En este punto, se decide

realizar una integración progresiva, se van añadiendo módulos, componentes y

software de forma progresiva para que en cada test no se prueben de forma

concurrente varios elementos susceptibles de fallo.

Un resumen del trabajo realizado en cuanto al diseño y desarrollo de los módulos

aparece recogido a continuación.

Módulo de alimentaciones

El módulo de alimentaciones recibe las tensiones de alimentación de los componentes

del plano trasero. Para hacerlo robusto frente a ruidos eléctricos e interferencias, se

establece que las alimentaciones que consuman señales pulsadas o corrientes altas,

en lugar de entrar al sistema desde este módulo, lo hagan desde el punto donde se





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consumen dichas corrientes a fin de evitar la circulación de señales ruidosas a lo largo

del backpane.

Además de recibir las alimentaciones, el módulo cuenta con fusibles y diodos de

protección y una luz para indicar que la entrada recibe tensión (ver Fig. 5 Captura del

esquema de entrada de una de las alimentaciones).

Fig. 5 Captura del esquema de entrada de una de las alimentaciones

Una vez realizado el esquema con los componentes adquiridos se realiza el ruteado

de la PCB (Fig. 6 Diseño de la PCB):

Fig. 6 Diseño de la PCB





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Fig. 7 PCB fabricada y soldada

Tras la fabricación (Fig. 7 PCB fabricada y soldada) se valida que las tensiones

lleguen a los puntos correspondientes del backplane.

Módulo de control a medida

Módulo comenzado a lo largo de 2016; su desarrollo, fabricación y validación se

completa durante la anualidad 2017.

Fig. 8 Módulo de control a medida

Para el test eléctrico se comprueba que las tensiones de alimentación y los pines de

salida tengan los valores adecuados. Los resultados obtenidos son positivos.

Módulo de control del sistema de posicionamiento

El módulo de control del sistema de posicionamiento fue diseñado durante 2016,

continuándose su desarrollo durante la anualidad 2017 a través del layout de la PCB.





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Fig. 9 Diseño de la PCB del módulo de control

Posteriormente se fabrica y valida.

Fig. 10 Módulo de control del sistema de posicionamiento fabricado

La función de este módulo es adaptar los niveles de tensión de salida del backplane a

los niveles de tensión de entrada a las guías lineales que conforman el sistema de

posicionamiento. Por ello, durante la validación se hace especial hincapié en

comprobar que en el plano trasero no existan tensiones destructivas para los

componentes. Tras el test del módulo se comprueba que es conforme a

especificaciones obteniendo un resultado positivo.

Módulo de control basado en Arduino

El empleo de controladores basado en Arduino constituyó el punto de partida en

previos trabajos. Por este motivo, el sistema de posicionamiento se había desarrollado

testeando con un programa de control (firmware) implementado en un Arduino. De

esta manera se decide que para realizar la posterior integración progresiva es

conveniente continuar desarrollando en la apuesta de un módulo de control basado en

Arduino con punto de partida para la validación de funcionamiento y así se prueba que

todo el hardware funcione con un firmware testado y cuando todo esté funcionando ya

se podrá abordar la validación de un nuevo programa de control personalizando a

medida. De esta manera, el diseño consiste en realizar una PCB con un Arduino cuyos

pines se conectan al plano trasero.





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Fig. 11 Esquema del módulo de control basado en Arduino

El layout es el mostrado en la Fig. 12 Layout del módulo de control basado en Arduino.

Fig. 12 Layout del módulo de control basado en Arduino

El siguiente paso lógico es la fabricación y validación. Dichas etapas se llevan a cabo

de forma satisfactoria.

Fig. 13 Módulo de control basado en Arduino tras soldadura





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D.1.1.3 Integración progresiva

De manera intuitiva, el concepto de integración progresiva consiste en un protocolo

basado en la validación unitaria de todo nuevo desarrollo incorporado, de tal manera

que, para cada nuevo test, sólo haya un elemento de potencial fallo.

De esta manera, el primer paso del proceso se centra en la validación del módulo de

alimentaciones con el módulo de control. Ambos se conectan y se comprueba que las

alimentaciones que llegan al módulo de control sean las adecuadas.

Posterirormente se conecta el módulo de control de las guías lineales y se conectan

éstas. Con el firmware de Arduino cargado (ya validado para hardware anteriores) se

prueba a realizar movimientos de la impresora en las tres dimensiones del espacio

obteniendo un resultado positivo.

Con estos ensayos, la modularidad del hardware queda testeada y el siguiente

objetivo se centra en aboradar el desarrollo de software.

Fig. 14 Backplane durante la integración progresiva

D.1.1.4 Desarrollo de software

El desarrollo de software es un trabajo cuyo objetivo consiste en validar y adquirir el

know how necesario para disponer de un sistema modular que permita la

implementación rápida de nuevas técnicas de impresión. Este objetivo implica la

realización de trabajos que van desde la evaluación del software hasta la validación de

su desempeño.

Como resultado del análisis realizado en la anterior anualidad se había concluido que

la opción óptima para el desarrollo del programa de control es hacer uso de lenguaje

C++. Este sistema es una derivación de C, un lenguaje de código abierto que permite

controlar sistemas embebidos desde un “computador” (en este caso es la controladora

a medida) con sistema operativo Linux. Por extensión a C, C++ permite controlar a





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más alto nivel impresoras 3D, robots y cualquier elemento que precise de controles de

movimiento y comunicación con el usuario.

Tras leer la documentación de C++ y comprobar su flexibilidad se decide instalar y

realizar las primeras pruebas. La instalación se realiza a partir de una imagen de Linux

con todos los archivos de C++ incluidos. Al momento de realizarse dicha instalación se

presentaron diferentes problemas derivados de la ausencia de ciertos archivos en la

imagen. Por tanto, fue necesaria la instalación manual de los mismos.

El programa desarrollado, como cualquier sistema que realice un control de

movimiento, incluye un núcleo de tiempo real. Se debe verificar que el procesador

utilizado cumpla con los requisitos de tiempos de respuesta establecidos para este tipo

de sistemas. Este tiempo de respuesta se obtiene mediante un test de varianza del

que se obtiene un parámetro (oscilación), que permite conocer si el procesador es

apto o no. Se considera que una oscilación superior a 1 ppm es inadecuada. En este

caso concreto la oscilación obtenida es de 0.47125ppm concluyendo que es apto.

Cabe destacar que el test de varianza se realizó en las peores condiciones posibles

para obtener un resultado del lado de la seguridad.

A modo de resumen, y tras el modelado en UML, se estructura el código de forma que

se pueda configurar cualquier topología de máquina de control numérico. Esta

topología se especifica mediante librerías de código entre las que destacan:

Librería de configuración: recoge los valores de configuración de la máquina y

los valores iniciales.

Librería de arquitectura: ésta incluye el core de la máquina y elementos de

movimiento auxiliar, que en este caso hace referencia a una estructura que

describe las funcionalidades de la máquina a través de un diagrama de bloques

codificado mediante una estructura propia. En esta librería es donde reside la

potencia del software y su modularidad. Si se desea cambiar alguna de las

funcionalidades de la impresora, simplemente con acudir a este archivo y

codificar el módulo correspondiente se consigue el funcionamiento deseado.

Como punto de partida se comenzó por el uso de una configuración que no

dependiese del hardware externo. Por ello se eligió lo que se conoce como una

configuración simulada. Es decir, una configuración que no lea el estado de sensores

si actúe sobre los elementos externos de la máquina.

Una decisión obligada antes de continuar con el desarrollo del software es la forma en

la que se accede a la interfaz gráfica del módulo de control (la forma de comunicarse

con el software base) y por extensión a la interfaz de la impresora. Existen diversas

opciones:

A través de ssh: es una forma rápida para trabajar con la controladora en modo

texto. Es incómoda porque al no tener acceso a la interfaz gráfica, no se tiene

notificación de errores que se muestran mediante ventanas gráficas.

A través de VNC con X11 forwarding: es un tipo de comunicación mediante la

cual se accede al escritorio de cualquier PC usando una conexión de red. El





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problema que presenta es que consume una cantidad de recursos (tiempo de

cómputo) notable.

A través de Wi-fi: es análoga a la anterior. Consume menos recursos, pero no

es capaz de servir elementos que requieran aceleración gráfica.

A través de pantalla conectada: el control desde un monitor no es una opción

usable, dado que se debe enviar desde otro PC el archivo a imprimir, por lo

que en el proceso de impresión implica que se trabaje sobre el modelo de la

pieza en un PC y cuando se acabe se tenga que pasar el archivo a una

memora, se cargue en la impresora y desde ella se siga realizando el resto de

operaciones.

A través de interfaces remotas: las interfaces remotas son interfaces del

programa de control de impresión (no del Sistema Operativo) que se visualizan

en otro PC mediante conexión de red. Son una forma de comunicarse ente el

PC y la controladora a medida muy parecida a una página web. Cuando se

enciende la impresora se carga el programa base (bootloader) y tras ello el

programa de control. Desde un PC conectado a red se abriría un cliente (muy

similar a un navegador web) y se podría visualizar el programa de control.

Todas estas opciones fueron probadas. La opción de usar una pantalla se descartó

por su mala usabilidad. El servidor VNC se descartó también por su consumo de

recursos. Por último, acceder a la controladora a través de Wi-fi es una opción muy

cómoda de cara a la programación, configuración y desarrollo, pues se visualiza el

contenido gráfico. Las interfaces remotas son una opción óptima de cara a una

impresora que sea manejada por un usuario final sin conocimientos de ingeniería y

cuando el programa esté desarrollado por completo.

De todas ellas y gracias a la experiencia adquirida se concluye que la mejor opción de

desarrollo estaría basada en el acceso a través de Wi-fi para actualizar, compilar y

programar y una interfaz remota para el control y test de la impresora, que sería la que

usaría un usuario estándar.

De esta manera, el trabajo se inició probando una configuración simulada con el fin de

testear una arquitectura básica (Fig. 15 Arquitectura básica).





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Fig. 15 Arquitectura básica

Esta tarea de inmersión en la arquitectura máquina pasa por un periodo en el que se

realizan pruebas y test de forma continua (Fig. 16 Imagen del área de trabajo).

Fig. 16 Imagen del área de trabajo

Como se ha indicado previamente, la librería de arquitectura es aquella que especifica

la arquitectura de la máquina y topología de la misma. Como es el punto central sobre

el que se asienta la modularidad y resulta imprescindible su manejo, se selecciona una

arquitectura cartesiana (trivial) y se estudia en profundidad. Realmente se trata de un

diagrama de bloques expresado en modo texto (Fig. 17 Captura de pantalla del ).





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Fig. 17 Captura de pantalla del archivo de la librería

Dada su complejidad y extensión, se modela mediante UML. Si bien es una tarea que

exige un alto esfuerzo, es necesaria y permite tener una representación visual que

acelera la comprensión.

Fig. 18 Representación gráfica del archivo UML

En la Fig. 18 Representación gráfica archivo UML se representa el diagrama de

arquitectura obtenido para el estudio de la misma. Para dar una idea de la extensión

de dicha representación, se tuvo que realizar en tres archivos con formato DIN-A0.

Una vez desarrollada la librería de arquitectura y su funcionamiento, se adapta a la

configuración del hardware desarrollado. Para ello es necesario modificar bootloader

del programa base de la controladora. El bootloader es el gestor de arranque de la

controladora, la parte que entre otras funciones gestiona la memoria y los pines que se

comunican con el exterior. En la controladora está estructurado en bloques funcionales

desarrollados a medida. Por esta razón se deben configurar los módulos de

entrada/salida de código necesarios para que la controladora sea compatible con la

electrónica desarrollada. Se realiza este paso y posteriormente se testea. El test





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consiste en forzar por software la salida de los pines y comprobar con instrumental de

medida que efectivamente tomen los valores de tensión adecuados.

Antes de probar el funcionamiento de la impresora se debe elegir una interfaz gráfica.

C++ ofrece la posibilidad de trabajar con diversas interfaces que pueden estar

previamente desarrolladas o que pueden ser desarrolladas desde cero. En este caso,

tal y como se había comentado, se elige una interfaz web. De entre todas las

disponibles se decide utilizar GTK (Fig. 19 ): es rápido de desarrollar, amigable con

dispositivos móviles y se puede adaptar y ampliar con facilidad.

Fig. 19 GTK

El flujo de trabajo seguido con el programa de control para realizar el proceso de

impresión es el siguiente:

Se genera un modelo 3D con la geometría del tejido a imprimir.

El modelo 3D se traduce a Gcode con un programa determinado. En este caso

se usa Slic3r.

Se abre la web, se inicia la comunicación ( Fig. 20 para testear la conexión) se

guarda el Gcode como archivo binario para enviar (Fig. 21

Fig. 20 Ping para testear comunicación

Fig. 21 binary file





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Se carga el Gcode generado y se inicia el proceso de impresión (Fig. 22 Carga

de Gcode ).

Fig. 22 Carga de Gcode

Este flujo de trabajo se realiza para validar el funcionamiento de la impresora con un

cabezal de FDM (Fig. 23 Montaje realizado para testear el programa de control con

cabezal de FDM).

Fig. 23 Montaje realizado para testear el programa de control con cabezal de FDM

La conclusión obtenida tras el extenso trabajo de documentación, pruebas e

implementación es que el programa desarrollado en C++ es la herramienta de

software definitiva para el desarrollo de impresoras 3D a medida. La modularidad que

presenta es capaz de sentar las bases de una plataforma para el desarrollo de

impresoras 3D. Una vez sentada esta base se puede abrir el camino del desarrollo de





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nuevas tecnologías y cabezales de impresión, tanto en los campos recogidos en el

presente proyecto, como abriendo la puerta a otras áreas y técnicas de impresión que

sea demandada.

D.1.1.5 Desarrollo de cabezales

El diseño y desarrollo de cabezales personalizados juegan, junto con los sistemas

modulares de control, el elemento clave a la hora de llevar a cabo la personalización

de equipos de bioimpresión 3D.

De esta manera, los trabajos realizados durante la anualidad 2016 en cuanto a dos

cabezales de tipo electromecánico de pistón y bimaterial, fueron complementados con

evoluciones y nuevos desarrollos. Ejemplos de los mismos son recogidos a

continuación.

Cabezales bimaterial

Durante la primera anualidad del desarrollo del proyecto se pudo comprobar como las

tendencias de desarrollo en bioimpresión presentaban el empleo de medios de cultivo

bicomponente donde, como ejemplo representativo, se llevaba a cabo el uso de

hidrogeles con algún tipo de agente catalizador (crosslinking). En este sentido, dichas

reacciones son, generalizando, de elevada rapidez, y, por tanto, se hace necesario

disponer de un dosificador bicomponente que permita evitar la reacción entre ambos

materiales en el depósito.

Por este motivo y en función del desarrollo del equipo en aquel momento, durante la

primera anualidad se llevó a cabo el diseño y desarrollo de un primer prototipo de

cabezal basado en dos depósitos independientes compuestos por una jeringa

estándar (denominado cabezal bimaterial alterno). La razón de utilizar material

estándar médico radica en el bajo precio de éste, pensando en el uso desechable del

mismo. Con ello se pretende minimizar los riesgos de contaminación, fases de

desinfección, etc. Cada una de las jeringas cuenta a) con su propia boquilla, de modo

que es posible adaptarla al material utilizado en cada depósito y, b) con un émbolo

accionado por un vástago. El cabezal cuenta con único motor de accionamiento, el

cual acciona un sistema de engranajes y una guía lineal, transmitiendo el movimiento

rotativo del motor en avance lineal del carro de la guía. Este cabezal cuenta con una

pieza que se puede unir solidariamente con cada uno de los vástagos que impulsa el

émbolo.





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Fig. 24 Cabezal bimaterial alterno

Una vez implementado en el equipo de bioimpresión se llevaron a cabo pruebas de

validación que mostraron inconvenientes y puntos de mejora en este tipo de

cabezales, siendo los principales los recogidos a continuación.

Los principales inconvenientes encontrados fueron los siguientes:

El cambio entre componentes de impresión de un proceso de fabricación

iniciado era lento, manual y tedioso. Implicaba la realización de una parada del

sistema, aflojar el tornillo de fijación del eje del producto imprimido hasta ese

momento, apretar el correspondiente al otro producto y reanudar la impresión.

La necesidad de la parada implica la modificación del G-Code, obligando a una

modificación de este último.

No permitía la impresión simultánea de materiales ni el crosslinking.

La efectividad del control térmico mediante camisa presentaba una efectividad

limitada, tanto en rangos de temperatura alcanzables como en duración del

control térmico, limitado e influenciado por la masa del fluido térmico.

Esta situación llevó a PRODINTEC a evolucionar el diseño y desarrollo de un nuevo

tipo cabezales que mejorara dichas limitaciones: cabezales bimateriales

simultáneos.

Cabezales bimaterial simultáneo

A la vista de las necesidades y carencias del cabezal bimaterial desarrollado se

planteó una segunda evolución del mismo. Los requerimientos de este nuevo cabezal

fueron los siguientes:

Uso de jeringas desechables por criterios de desinfección y limpieza.

Posibilidad de tener un control preciso de temperatura.

Posibilidad de hacer impresiones de dos componentes simultáneamente en el

mismo punto. De este modo, es posible incorporar el catalizador en el momento

de la impresión.





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Posibilidad de ajuste independiente de la cantidad dispensada de ambos

materiales.

Mantener el peso total del cabezal dentro un margen comedido, para no limitar

la dinámica y precisión de la máquina.

Analizando los requerimientos presentados, se planteó un diseño inicial adaptado a las

técnicas de fabricación aditiva, buscando con ello una mayor libertad de diseño al

poder aprovecharse de una de las ventajas de las citadas técnicas: la posibilidad de

obtención de geometrías complejas.

Los materiales utilizados han sido poliamida, acero inoxidable y aluminio, dependiendo

de la función de cada una de las piezas. Para carcasas y soportes se ha utilizado

poliamida, mientras que para las partes con función térmica y boquillas se utilizó

aluminio y/o acero inoxidable.

Para la realización del ajuste de temperatura se ha optado por implementar un sistema

de control térmico mediante células Peltier, tal y como se había decidido durante la

fase de diseño, descartando otras opciones como son resistencias eléctricas o

atemperado mediante circulación de fluido a temperatura controlada. Las celdas

Peltier son muy versátiles, permitiendo calentar y enfriar en función de la demanda,

puesto que son capaces de transformar una corriente eléctrica en diferencia térmica

entre las dos caras de la misma.

La fase de diseño del cabezal realizada concluyó con el siguiente resultado (resultado

de la anualidad 2016).

Fig. 25 Cabezal bimaterial simultáneo

Tal y como se detalló en los trabajos realizados durante la primera anualidad, el

cabezal diseñado cuenta con dos motores independientes para el accionamiento de

cada uno de los émbolos de la jeringa. De este modo, mediante el control del software

y del G-Code a imprimir es posible controlar independientemente la cantidad de

depositada de cada material.





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Fig. 26 Detalle de componentes

Gracias a los trabajos previos, durante la anualidad de 2017 ya se pudieron

abordar las actividades centradas en fabricación y validación. De esta manera, la

estructura térmica del cabezal está compuesta por los siguientes elementos:

Jeringa desechable: La jeringa es el contenedor del líquido a dosificar y punto

de partida del diseño.

Fig. 27Jeringa

Carcasa metálica de transferencia térmica: De cara a homogeneizar la

temperatura en toda la jeringa ha fabricado una carcasa en metal de alta

conductividad térmica. Cada una de las mitades tiene dos zonas para el

posicionamiento de dos celdas peltier, las cuales enfriarán o calentarán la

carcasa metálica de transferencia y por ende la jeringa.





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Fig. 28 Carcasa transferencia y envolvente externa

Envolvente externa: La última capa es la envolvente externa de poliamida. Ésta

tiene un diseño interno completamente hueco pero compartimentado, cuya

principal función es actuar como barrera térmica, haciendo que el efecto

térmico de los peltieres se conduzca hacia las jeringas y no hacia el exterior.

Disipadores: En cada uno de los peltieres se encuentra un disipador capaz de

ceder o absorber calor del exterior.





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Fig. 29 Vista general del cabezal.

En la anterior figura se puede ver el conjunto general montado. Se puede apreciar los

motores y los diferentes componentes exteriores. Además, se pueden observar los

diferentes conductores eléctricos del sistema de control térmico.

Por último, pero no menos importante en el desarrollo del cabezal, hay que mencionar

su capacidad para soportar un portaboquillas, el cual permite la sujeción de boquillas

fabricadas a medida. Esta característica, de suma importancia para aumentar la

versatilidad y personalización del cabezal, permite la utilización de las dos boquillas

fabricadas mediante técnicas de fabricación aditiva de acuerdo a los diseños

realizados en la anualidad 2016, esto es, una boquilla bicomponente coaxial y una

boquilla bicomponente mezcladora.

Boquilla bicomponente coaxial

La boquilla bicomponente coaxial consiste fundamentalmente en una boquilla que es

capaz de dispensar dos materiales por dos tubos concéntricos sin mezcla entre ambos

hasta que no abandonan la boquilla. Es especialmente útil para impresiones que

utilizan materiales con catalizadores muy rápidos que pueden provocar atascos en la

boquilla, así como para proporcionar atmósfera inerte al fluido dosificado por el canal

central, protegiéndolo con el fluido que circula por el canal externo. A partir de los

trabajos de diseño, durante la anualidad de 2017 se llevó a cabo la fabricación de

fabricación de la misma tal y como se recoge en la figura 31.





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Fig. 30 Boquilla bicomponente coaxial. Vista frontal, vista en sección media y vista

trasera

Fig. 31 Boquilla bicomponente coaxial fabricada. Vistas frontal y trasera

Boquilla bicomponente mezclador

La boquilla bicomponente mezcladora tiene como principal objetivo fomentar la

completa mezcla entre los materiales justo en el momento previo a la impresión. Es

especialmente útil con materiales que necesitan una buena mezcla entre sus dos

componentes. Diseñada previamente, durante la anualidad de 2017 se llevó a cabo la

fabricación de la misma mediante técnicas de fabricación aditiva en acero inoxidable

PH1.

Fig. 32 Boquilla bicomponente mezcladora. Vista frontal, vista en sección media y vista

trasera





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Fig. 33 Boquilla bicomponente mezcladora fabricada

D.1.1.6 Pruebas de validación del cabezal

En la anualidad 2017 se han realizado diversos experimentos para validar los nuevos

desarrollos hardware y software. En colaboración con el Instituto Oftalmológico

Fernández Vega se ha realizado una serie de experimentos de validación con biotintas

procedentes de sus laboratorios, concretamente se ha utilizado biotintas basadas en

Plasma, biotintas basadas en colágeno y biotintas basadas en gelatina.

Biotintas basadas en plasma

Para esta prueba se utilizó la boquilla bicomponente en paralelo, puesto que, para este

experimento, los materiales no se deben de juntar hasta el momento de estar en el

exterior de la boquilla, al tener un tiempo de reacción muy bajo, solidificándose

rápidamente. Para la realización de la prueba fue necesario el ajuste de los diferentes

parámetros relacionados con el volumen del material extruido y la altura de capa:

Altura de capa: 1.5mm.

Diámetro de boquilla: 1.62 mm. (Sección equivalente).

Porcentaje de relleno: 80 %.

Fig. 34 Bioimpresora preparada para las pruebas





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Fig. 35 Impresión de biotinta de plasma

Las impresiones realizadas en cuanto a la empleabilidad del cabezal han sido

positivas, pues ha respondido a las necesidades demandadas. Sin embargo y tal y

como recoge la figura 2.34, desde el punto de vista del desarrollo de las tintas es

necesario llevar a cabo una evolución de la misma en cuanto a equilibrio de

fluidez/gelificación.

Biotintas basadas en colágeno

Las biotintas basadas en colágeno requieren una buena mezcla entre sus dos

componentes, así como un tiempo de gelificación lento. Por ello, en este experimento

se ha utilizado la boquilla mezcladora, al requerir los materiales una buena mezcla, y

ser relativamente fácil controlar la aparición de una gelificación indeseada en la

boquilla. En este caso los parámetros de ensayo seleccionados han sido los

siguientes:

Diámetro de boquilla: 0.5mm.


Porcentaje de relleno: 70%.

A continuación, se muestran unas imágenes del experimento.

Fig. 36 Impresión de biotinta de colágeno





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Los resultados obtenidos han sido satisfactorios, demostrando la validez del concepto,

no obstante, se observa la necesidad de poder adaptar la longitud en la que se

produce la mezcla en la boquilla, para adaptarse mejor a diferentes velocidades de

gelificación.

Biotintas basadas en gelatina

Las biotintas basadas en gelatinas presentan como como principal diferencia a los

experimentos anteriores la ausencia de elementos bimateriales de partida. Es decir, es

ya una tinta de empleo directo en sí misma. Por este motivo, para la realización de las

pruebas de validación solo es necesario el uso de uno de los depósitos al cual se

coloca una boquilla luer lock, puesto que el proceso de gelificación es de tipo térmico.

Los parámetros utilizados para este proceso han sido los siguientes:

Diámetro de boquilla: 0.41mm.


Porcentaje de relleno: 30 %.

A continuación, se muestran unas imágenes de las pruebas realizadas:

Fig. 37 Impresión de biotinta de gelatina

Conclusiones de validación del cabezal

A la vista de los resultados de las pruebas realizadas con el cabezal desarrollado se

puede concluir lo siguiente.

El cabezal, conceptualmente, funciona correctamente, validando el concepto

planteado.

La boquilla bicomponente presenta poca definición en la punta del modo que

está fabricada. Se cree que el diseño se puede mejorar incorporándole una

punta de mayor definición. Para ello, y de cara a facilitar posibles obstrucciones

de la misma, ésta debería de ser desmontable.

El cabezal bicomponente mezclador debería de tener otra variante con un

menor espacio de mezclado, puesto que, dependiendo de los materiales, se

produce coagulación en el interior de la boquilla. Por lo tanto, dado que no se

puede controlar de otra manera, sería interesante disponer de más opciones

para diferentes velocidades de gelificación.





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D.1.2 Nuevos conceptos de impresión 3D para biosensórica

La segunda tarea del presente hito se centra en nuevos conceptos de impresión 3D

para biosensórica donde, a partir de un estudio de situación inicial de tintas y técnicas,

se pudiera llevar a cabo un trabajo de desarrollo de cabezales de impresión capaces

de realizar pruebas iniciales de validación.

De esta manera, durante la primera anualidad del proyecto se comprobó cómo, entre

los campos de aplicación de la tecnología, la investigación con células neuronales

jugaba un papel preponderante, siendo uno de los principales objetivos la realización

de cultivos representativos de tejido cerebral de cara a la realización de ensayos y

experimentos. Estos trabajos están encaminados tanto en la monitorización y

conocimiento del comportamiento de las diferentes estructuras cerebrales, como en la

realización de ensayos con fármacos y/o tóxicos que permitan evaluar el

comportamiento de las neuronas y, todo ello, con el fin último del desarrollo de

técnicas que permitan revertir o mejorar daños o enfermedades que afecten al tejido

neuronal.

A partir de los trabajos analizados se perfilaron caminos a seguir dentro de la vía

experimental del proyecto, basados en experimentos de relación y migración de

células entre capas y/o entre paredes con porosidades o microcanales adecuados.

Este tipo de experimentos son de vital interés pues tienden a modelar de forma más

fidedigna las diferentes estructuras cerebrales, permitiendo que los experimentos

realizados con los biosensores obtenidos sean más representativos de la realidad. En

ellos, se busca el análisis de diferentes técnicas y materiales que permitan optimizar

las conexiones entre células, la supervivencia de las mismas y la creación de

estructuras multinivel adecuadas.

Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas en la anualidad 2016 llevaron a

dos conclusiones fundamentales: [1] El control térmico es necesario e importante; [2]

Es necesaria una opción que permita la impresión de materiales compuestos. El

cabezal a utilizar ha de ser por lo tanto bimaterial con posibilidad de dosificación de

líquidos de diversas características reológicas. De acuerdo a estas especificaciones, el

cabezal bimaterial simultáneo diseñado para aplicaciones de bioprinting ha servido de

base en 2017 para la realización de los experimentos de biosensórica. Una de las

virtudes de este cabezal es que cuenta con celdas Peltier para realizar un control

térmico, situación esencial pues en la mayoría de aplicaciones de bioimpresión para

ingeniería de tejidos, el control de temperatura requiere de dicho control.





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Fig. 38 Cabezal bimaterial simultáneo

Además, aunque en una gran cantidad de trabajos las celdas Peltier se pueden

alimentar directamente gracias a la evacuación directa de calor, para la aplicación

actual es absolutamente necesario un control de temperatura total, de tal modo que es

necesario desarrollar un módulo de control de temperatura para celdas Peltier con una

precisión de ±1ºC. El diseño y desarrollo de este módulo se ha realizado en la

anualidad 2017.

D.1.2.1 Módulo de control de temperatura

Las celdas Peltier son elementos que permiten la transformación de energía eléctrica

en energía térmica. Es por ello que, para realizar el control de temperatura de los

cabezales de impresión a través de una celda Peltier, es necesario un hardware que

mida la temperatura y proporcione la energía eléctrica adecuada para evacuar o

inyectar el calor necesario para mantener la temperatura deseada. Dicho control se

puede implementar de varias formas y con diferentes elementos. Por una parte, se

puede realizar un control todo o nada (con histéresis): alimentando la celda Peltier

cuando la temperatura está por encima de la deseada y dejando de alimentar hasta

que la temperatura esté por encima de la deseada. Este control si bien puede ser

inestable también es poco adecuado para ciertos rangos de temperatura pues el punto

óptimo de refrigeración de la celda Peltier para una masa concreta a refrigerar se

corresponde con un nivel de corriente concreto (por debajo del nivel máximo). Es

decir, la eficiencia con la que enfría la celda Peltier es proporcional a la corriente hasta

cierto punto en el que por efecto Joule además de refrigerar se genera calor

disminuyendo la eficiencia. Con un control todo o nada, por la Peltier o bien no circula

corriente o bien circula la corriente máxima (que por lo dicho anteriormente disminuye

su eficiencia). Por esta misma razón un control con PWM tampoco es adecuado.





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La variable sobre la que se debe actuar para realizar un control de temperatura es la

corriente, de modo que se requiere una electrónica que realice un control de este tipo.

Existen tres principales alternativas para realizar lo anterior:

Módulo de control de temperatura comercial: se trata de un dispositivo que

realiza la medida y el control.

Control PID implementado en microcontrolador: se desarrolla una PCB con un

microcontrolador y el hardware necesario para alimentar la celda Peltier y

medir la temperatura. A su vez se pueden utilizar varias estrategias:

o Utilizando un puente en H comercial: el puente en H es una topología de

potencia que permite controlar la corriente en la celda Peltier.

o Utilizando un módulo de potencia comercial: existen circuitos integrados

o módulos que se comunican con el microcontrolador y generan la

alimentación para la celda Peltier.

o Diseñar un hardware a medida desde cero, seleccionando transistores,

puente en H a medida, bobinas etc.

Control PID implementado en chips comerciales combinado con módulos de

potencia comerciales.

La diferencia existente entre las tres principales soluciones radica en el equilibrio entre

coste, complejidad de implementación (también reducido a costes de mano de obra) y

potencia de salida. En este caso son soluciones válidas la adquisición de un módulo

comercial y la investigación en el desarrollo de un control implementado en un

microcontrolador con un módulo de potencia comercial. El módulo comercial permite

entregar potencias altas (y por ello bajar mucho más la temperatura) pero supone un

coste mucho mayor. El control implementado en un microcontrolador con un módulo

comercial requiere de un desarrollo, pero reduce los costes a su mínima expresión y

en gran parte de aplicaciones entrega la potencia necesaria.

Por este motivo y aplicando la filosofía de modularidad en el diseño, en el presente

punto de trabajo se apuesta por el diseño de un módulo de control de temperatura que

encaje dentro de la controladora fabricada.

Así, por una parte el módulo diseñado cuenta con todo lo necesario para usar un

producto comercial de control de refrigeración e incluye un microcontrolador con un

módulo de potencia para conectar (en el caso que no se requieran potencias altas)

una celda Peltier de forma directa (ver Fig. 39 Esquema del sistema de refrigeración).





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Fig. 39 Esquema del sistema de refrigeración

En cuanto al módulo comercial, se evalúan las opciones del mercado y se adquiere el

Laird PR-59 (Fig. 40 Módulo de control de refrigeración comercial).

Fig. 40 Módulo de control de refrigeración comercial

Este módulo recibe los comandos de temperatura a través del protocolo de

comunicaciones RS232. Por este motivo, para encajar en la controladora de la

impresora, el módulo de control desarrollado debe contar con la electrónica necesaria

para adaptar los niveles de tensión de la salida de la controladora a los que marca el

protocolo (Fig. 41 Esquema de la salida de RS232).





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Fig. 41 Esquema de la salida de RS232

En el caso del módulo de potencia incluido se evalúan las diferentes opciones que

ofrecen los fabricantes de semiconductores. La elegida por adaptarse en coste y rango

de corrientes es el driver A4988. Este circuito integrado recibe una tensión de

alimentación y una señal de referencia que indica cuánta corriente debe inyectar a la

celda Peltier. En la Fig. 42 Esquema de la configuración usada para el DRV591 se

muestra el esquema correspondiente.

Fig. 42 Esquema de la configuración usada para el DRV591

La señal de referencia se calcula en un microcontrolador: se recibe del módulo de

control del plano trasero la señal de referencia de temperatura, se mide con un sensor

la temperatura real, y en base a la diferencia de esas temperaturas (mediante un

regulador PID) se calcula la referencia. Esta referencia, se convierte en una tensión





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compatible con el driver mediante el circuito MCP4441 (ver Fig. 43 Esquema del

MCP4441).

Fig. 43 Esquema del MCP4441

La sonda de temperatura elegida, por adecuarse a los rangos de temperatura, es una

NTC. El esquema de medida de la NTC se muestra en la Fig. 44 Esquema de sistema

de medida de la sonda NTC.

Fig. 44 Esquema de sistema de medida de la sonda NTC

En la Fig. 45 Microcontrolador del módulo de control de celdas Peltier se muestra el

esquema del microcontrolador que implementa el control de temperatura.





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Fig. 45 Microcontrolador del módulo de control de celdas Peltier

Los esquemas mostrados llevan a un diseño de PCB final tal y como el que se

muestra en la Fig. 46 Layout del módulo de control de refrigeración

Fig. 46 Layout del módulo de control de refrigeración

Tras el diseño se fabrica y suelda la PCB (Fig. 47 Módulo de control de refrigeración

fabricado y soldado). Una vez obtenida físicamente la PCB se lleva a cabo el test

eléctrico, el cual es realizado midiendo señales con el osciloscopio y proporcionando

los resultados óptimos esperados.





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Fig. 47 Módulo de control de refrigeración fabricado y soldado

Con el módulo fabricado se implementa el control de temperatura. Para ello tal y como

se ha comentado se desarrolla un programa en leguaje C que mide la temperatura

(real) y recibe la consigna (temperatura deseada), calcula la corriente que se debe

inyectar a la celda Peltier y envía el valor calculado al driver.

Con el programa desarrollado se testea el control de temperatura de una pieza

metálica sobre un disipador (Fig. 48 Montaje para validar el control de temperatura).

Se llega a refrigerar hasta unos 0ºC con un error de menos de 1ºC, lo cual cumple

sobradamente las especificaciones.

Fig. 48 Montaje para validar el control de temperatura





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D.1.2.2 Experimentos de crecimiento horizontal

La determinación de los trabajos experimentales a realizar fue llevada a cabo a partir

de los contactos mantenidos con el departamento de bioquímica de la universidad de

Oviedo, ya indicados y recogidos durante la justificación de 2016, y base de los

trabajos en este campo.

Gracias a ello se identificó como posible aplicación de la tecnología de impresión 3D

para el campo neuronal los experimentos de crecimiento o migración horizontal.

La deposición directa de fluidos se basa en imprimir biotintas basadas en geles que

tienen una carga celular. De cara al estudio de la migración celular horizontal frente a

estímulos externos (físicos o químicos) es interesante imprimir diferentes tipos de

células o diferentes tipos de gel para el mismo tipo de células. Se testea para ello la

capacidad del extrusor bimaterial desarrollado en la primera tarea del proyecto

(siguiendo el principio de modularidad) para realizar este proceso. Se excluye la carga

celular dado que no afecta a la reología de las tintas, e implica costes y trabajo que se

salen de los objetivos. Es decir, la carga celular no es necesaria para validar la

tecnología.

Para el experimento se diseñan dos sólidos correspondiéndose cada uno con una tinta

y se transfieren a formato AMF. El formato AMF, de las siglas en inglés additive

manufacturing es un tipo de formato optimizado para la impresión 3D multimaterial que

da respuesta a las limitaciones presentadas por los archivos STL que se suelen usar

de forma clásica.

El diseño AMF se traduce a GCode. Por otra parte, se cargan los depósitos del

cabezal con tintas de diferente color: gelatina y goma gellan. Se imprimen obteniendo

el resultado de la Fig. 49, donde se aprecia que los materiales se depositan de forma

adecuada quedando validado el proceso de impresión propiamente dicho.

Fig. 49 Impresión de validación de migración horizontal

Con esta geometría sería posible realizar por parte de los investigadores un cultivo

celular para observar la citada migración celular horizontal. La evaluación de la

migración celular se podría realizar mediante una micrografía del tejido.





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D.1.2.3 Experimentos de migración vertical

Otro de los experimentos determinados como óptimos por el departamento de

bioquímica de la universidad de Oviedo es el denominado migración vertical. Así, tal y

como se recogía en la bibliografía de la justificación de la primera anualidad, se

observa una carencia investigadora en la modelización de las estructuras cerebrales a

nivel tridimensional. La mayoría de los experimentos se realizan sobre estructuras

bidimensionales, cuando por el contrario el cerebro es una estructura tridimensional.

De este modo, los investigadores buscaban la realización de un modelo in vitro

tridimensional de una estructura cerebral. Para ello utilizaban biotintas basadas en

goma gelán e hidrogeles, siendo estas impresas por metodologías manuales.

Fig. 50 Ejemplo bibliográfico de trabajos manuales en crecimiento vertical

Por este motivo, desde PRODINTEC se inician los trabajos encaminados a reproducir

el experimento mediante la utilización de la bioimpresora y el cabezal bimaterial

desarrollado. Nuevamente, para la realización del experimento no es necesaria la

carga el fluido con células dado el coste del proceso, teniendo en cuenta además que

el objetivo es la validación de la máquina en lugar de validar el cultivo celular.

Por ello, el primer paso consistió en diseñar un modelo 3D de la estructura a imprimir.

Como se trata de una estructura formada por dos biotintas diferentes se trabaja con un

archivo de tipo AMF (addtive manufacturing). En este caso el modelo es un cubo

formado por tres capas.

Fig. 51 Modelo AMF de la estructura a imprimir





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En todas las capas se usa una tinta basada en gelatina. Para realizar una

diferenciación entre capas y distinguir qué cabezal imprime cada una de ellas, la tinta

de la capa intermedia se carga con fluoresceína. En la Fig 52 se muestra el proceso

de impresión, al momento de realizar la segunda capa.

Fig. 52 Impresión del modelo diseñado

El resultado obtenido se muestra en la Fig 53 donde se puede observar cómo la baja

tensión superficial del fluido causa la expansión de dicha estructura

Fig. 53 Estructura tridimensional impresa

El resultado del experimento valida la capacidad del cabezal bimaterial para la

impresión de estructuras tridimensionales multicapa orientadas al desarrollo de

cultivos celulares neuronales.

D.1.2.4 Experimentos sobre MEA

Los MEA, o Multi Electrode Array, son unos dispositivos utilizados para el estudio y

comprensión del comportamiento de las células neuronales, entre otras aplicaciones.

El dispositivo está compuesto por una placa de vidrio transparente sobre la que están

dispuestas una serie de pistas muy finas conductoras finalizadas con una serie de

electrodos. Las neuronas y las células musculares generan corrientes a través de sus

membranas cuando son excitadas, causando un cambio de voltaje entre el interior y el





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exterior de la célula. Los electrodos de las placas MEAs traducen el cambio del voltaje

generado en corrientes eléctricas. En las fases de excitación, ocurre lo contrario, la

placa MEA transforma la corriente eléctrica de entrada en una corriente iónica hacia

las células, desencadenando la respuesta de éstas. Mediante el análisis de las

diferentes respuestas es posible estudiar el comportamiento celular y la influencia de

diferentes agentes externos.

Fig. 54 Multielectrode Array 60 electrodos

El tamaño y la forma de las señales registradas, acorde al estado de la técnica,

depende de diversos factores:

Naturaleza del medio en el que se encuentren las células (conductividad del

medio, capacitancias, homogeneidad).

Naturaleza del contacto entre las células y el electrodo MEA (área de contacto,

estanqueidad de la conexión).

Naturaleza del electrodo de la MEA (geometría, impedancia, ruido).

Procesamiento de las señales analógicas generadas (ganancia, ancho de

banda, comportamiento fuera de las frecuencias de corte).

Propiedades de toma de muestra de datos (frecuencia de muestreo y

procesamiento de señal digital).

Actualmente, los experimentos se realizan haciendo una deposición manual mediante

pipeteado de una solución adecuada, donde las células están en suspensión. La

disposición de las mismas es, por lo tanto, aleatoria. Sin embargo, uno de los puntos

interesantes a estudiar es la influencia de los patrones de deposición y, por tanto, de

las células. Para ello, la aplicación de la bioimpresión 3D es una herramienta de gran

utilidad, motivo por el cual desde PRODINTEC se planteó el trabajado en este ámbito.

Así, en la línea de trabajo con la facultad de bioquímica de la universidad de Oviedo se

abordó el empleo de la bioimpresora de PRODINTEC con el cabezal bicomponente

http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiOvp7Qn7fZAhXGOBQKHRKgAokQjRwIBw&url=http://www.scientifica.uk.com/neurowire/neuronal-electrophysiology-the-study-of-excitable-cells&psig=AOvVaw00uJUEOvLS7FqfZZe3f_LL&ust=1519310717170453





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desarrollado como una potencial alternativa para la realización de una serie de

experimentos de deposición sobre el MEA, empleando la solución utilizada por la

facultad para realizar la suspensión de las células neuronales. De este modo, se

permite la realización de experimentos sin carga celular, pero plenamente

representativos como paso previo a posteriores estudios más rigurosos desde el punto

de vista biológico.

Para ello, el primer paso ha sido el análisis previo del experimento. Uno de los

aspectos más relevantes es el tamaño y la definición necesarios. Para evaluarlo, se

han realizado una serie de medidas del campo de electrodos utilizando una lupa

electrónica de alta definición. A continuación se muestra una imagen tomada con un

patrón de referencia.

Fig. 55 Detalle del campo de electrodos de una placa MEA de 60 canales.

A partir de la misma, se pueden extraer las medidas de la placa y, mediante modelado

CAD, se puede representar las magnitudes de los diferentes tamaños de boquillas

frente a los electrodos. De este modo, se puede ver cuál sería el diámetro de boquilla

mediante el cual se obtendría una cierta representatividad en cuanto a la ordenación

de las células mediante la bioimpresión. A continuación, se muestra una imagen

desarrollada exprofeso para la tarea anteriormente descrita.





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Fig. 56 Esquema de diferentes diámetros boquillas sobre una placa MEA de 60

canales. Medidas en mm.

Se puede ver como con agujas de diámetros convencionales, como las agujas 24G o

28G no se obtiene una definición adecuada. Por poner en contexto, las agujas de

insulina suelen ser de 29G (a mayor número G, menor diámetro). Con agujas 32GA de

0.11mm de diámetro interior se conseguiría una buena definición, mientras que, con

una aguja cerámica de 50 micras, la definición sería excelente. El principal

inconveniente de la utilización de jeringas de diámetro reducido es la posibilidad de

obstrucción del canal de las mismas ante cualquier partícula de tamaño superior al

diámetro interno.

Se plantea una primera prueba inicial de impresión sobre el MEA. Para ello se

programa una trayectoria rectilínea con forma cuadrada que cubra todo el campo de

electrodos. Se realizó un primer intento de impresión, en el cual no se consiguió

realizar impresión alguna puesto que, pese a que existió movimiento en la posición del

cabezal, no se apreció movimiento de los motores de empuje del fluido. Se realizó un

ajuste de los parámetros en los motores para incrementar el flujo de material de

impresión. Con el citado incremento, se consiguió la salida de material con los

resultados que se muestran a continuación.





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Fig. 57 Impresión sobre MEA

Como se puede observar, el resultado no ha sido satisfactorio, produciéndose la

dosificación de una gran cantidad de material y obteniéndose definición muy mala, no

siendo representativo para el objeto del experimento. A partir de ese punto, ante la

imposibilidad de realizar una impresión correcta, se realizó un análisis del problema.

Para ello, el primer paso fue calcular la cantidad de material que sería necesario para

imprimir un lado del cuadrado considerado en la trayectoria o, en otras palabras, un

segmento recto teniendo en cuenta el diámetro de la boquilla utilizada. Una vez

calculado ese volumen, utilizando el diámetro del émbolo de la jeringa, se puede

calcular la distancia que tendría que bajar el émbolo para dosificar la cantidad de fluido

calculada y, una vez evaluada la distancia y conociendo la relación de trasmisión, es

posible estimar el número de pasos que ha de girar el motor durante el movimiento

considerado.

Aplicando esta metodología, se calcula en primer lugar el volumen a dispensar para el

segmento considerado, obteniendo los siguientes resultados para la boquilla de 0.11

mm de diámetro interno (32GA).

Cálculo del volumen a dispensar en un segmento de la trayectoria

Diámetro interno boquilla (mm) 0,11

Recorrido de un lado (mm) 1,4

Volumen de un lado (mm3) o (microlitros) 0,013

Volumen total del cuadrado (mm3) 0,106

Tabla 1 Volumen a dispensar para boquilla 32GA.

A continuación, para el sistema mecánico presente en el dosificador, se calcula según

el método anteriormente descrito los pasos que tendría que girar el motor para

dosificar el volumen teórico correspondiente al segmento considerado.





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Cálculo de pasos del motor para el segmento considerado

Diámetro émbolo (mm) 22,4

Recorrido del émbolo para el volumen de 1 lado(mm) 3,3761E-05

Relación transmisión engranajes 0,5

Paso tornillo (mm/vuelta) 1,25

Pasos por vuelta motor (pasos/vuelta) 200

Pasos motor para 1 lado 0,0108

Tabla 2 Cálculo de los pasos del motor para 1 lado.

A la vista del resultado alcanzado, dónde el motor debería de girar menos de un paso

para dosificar la cantidad teórica deseada, se puede concluir que el cabezal genérico

diseñado no cuenta con una resolución suficiente para esta aplicación.

Otro aspecto a considerar es el movimiento mínimo del cabezal. Resulta interesante

observar que, para la realización de una trayectoria que “barra” la totalidad de la

superficie del MEA, los movimientos han de ser de unos 1.4mm. Estos movimientos,

así como su sincronización con el movimiento del motor del cabezal, son un tema

complejo, al encontrarse cerca del límite electro-mecánico de las guías lineales de la

máquina, no tanto en cuanto a la precisión de las mismas, sino en la capacidad para

realizar cambios de dirección tan seguidos en el tiempo y en el espacio.

Por lo tanto, se puede considerar que el cabezal genérico diseñado no es apropiado

para esta aplicación en concreto, al carecer de la definición necesaria. Por ello, para

llevar a cabo la aplicación considerada se necesita desarrollar un nuevo cabezal de

alta definición. A continuación se presentan los resultados obtenidos en el diseño y

desarrollo de este nuevo cabezal.

Diseño conceptual de cabezal para aplicación MEA

A la vista de los resultados obtenidos en el punto anterior, se plantea la necesidad de

desarrollar un cabezal con una mayor definición en cuanto a dosificación de material.

Para aumentar la definición, entendida esta por el número de pasos por microlitro

dosificado, existen dos posibilidades:

Reducción del diámetro del émbolo de la jeringa de dosificación. Manteniendo

el resto de características invariables, una disminución del tamaño del émbolo

de la jeringa conducirá a un aumento del número de pasos para dosificar una

cantidad determinada.

Disminución de la relación de transmisión mecánica. A mayor multiplicación

mecánica, un mayor número de pasos del motor será necesario para dosificar

una determinada cantidad de fluido, aumentando así la definición.

Dependiendo del diseño del cabezal, existirán diversas opciones para

aumentar la desmultiplicación mecánica, tomando como referencia el valor

total.





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Se ha trabajado conceptualmente en ambas soluciones. En primer lugar, se han

buscado las jeringas de menor diámetro de émbolo posible. Para ello, se ha buscado

en los catálogos de los principales suministradores de jeringas. Se ha concluido que

con las jeringas convencionales desechables de material plástico, no existe alternativa

que permita tener un control suficiente sobre la cantidad dosificada, puesto que los

diámetros de émbolos en jeringas de plástico más pequeñas (1 ml) están en torno a

los 5 mm. Repitiendo los cálculos anteriormente realizados, se puede estimar que para

las citadas jeringas, el pistón debería desplazarse una distancia teórica de 0.00014

mm para la impresión de uno de los lados, siendo por lo tanto prácticamente imposible

controlarlo con alguna precisión.

Una vez descartadas las jeringas desechables, cabe pensar en el uso de otro tipo de

utensilios que, aun requiriendo limpieza después de cada uso, y no siendo

desechables debido a su coste, permitan la realización correcta del experimento. No

obstante, cabe reseñar que para una aplicación tan específica como esta, el uso de

instrumental no desechable, o con un coste más elevado, no representa un

inconveniente insalvable.

La alternativa se busca entonces en el campo de las micro-jeringas de inyección,

ampliamente utilizadas en química fina, sector médico etc.

Fig. 58 Micro jeringa de precisión.

Este tipo de jeringa están compuesta por un cuerpo de borosilicato transparente

agujereado por su parte central, y por un émbolo metálico macizo que se inserta por el

citado agujero impulsando el fluido hacia el lado opuesto donde se sitúa la punta o

boquilla.

Existen infinidad de tipos y tamaños, cada uno adecuado a la funcionalidad específica

a la que están dedicadas. Los criterios utilizados para la selección han sido los

siguientes:

Diámetro interior del cuerpo inferior a 0.5 mm.

Aguja intercambiable.

Aguja 30G o superior (Diámetro interno inferior).

Aguja con terminación recta.

http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwigo4atrsbZAhVJsBQKHajtB50QjRwIBw&url=http://www.teknokroma.es/es/Productos/jeringas-y-accesorios/3/jeringas-hamilton/49/2235/jeringas-para-agilent-7670-7671-y-7672.aspx&psig=AOvVaw2ZWjZ0qMJrqBf7XItW2ucT&ust=1519830066006935





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Siguiendo estos criterios de selección, se pueden definir unos requerimientos de

partida:

Capacidad de 5 micro litros.

Diámetro interior embolo 0.34 mm.

Aguja intercambiable, 32 GA, punta de corte recto.

Fig. 59 Micro jeringa.

Una vez definida una posible jeringa, se trabaja en la selección de un elemento

empujador. Para esta aplicación, al requerirse una elevada precisión, se plantea en

vez de diseñar uno específico, la utilización de una guía comercial de alta precisión.

Las características deseables serían las siguientes: una carrera de 50 mm, y una

resolución de 1.25 micras. Realizando unos cálculos análogos a los realizados en el

punto anterior, se puede ver que, con una jeringa y un empujador de las

características mencionadas, para realizar la impresión de uno de los segmentos de la

trayectoria definida, se necesitaría mover unos 937 veces la resolución del empujador,

por lo tanto, parece que con un conjunto de este tipo se podría obtener la resolución

adecuada que permitiese la realización del experimento.

Cálculo de pasos del motor para el segmento considerado

Diámetro émbolo (mm) 0,34

Recorrido del émbolo para el volumen de 1 lado(mm) 1,17231834

Resolución empujador (mm) 0,00125

"Pasos" empujador para 1 lado 937,8547

Tabla 3 Cálculo de los pasos del motor para 1 lado.

Una vez planteadas las características de los componentes, se plantea un pequeño

diseño conceptual de lo que podría ser un cabezal de este tipo. El diseño debería de

ser lo más simple posible, garantizando en todo caso el empuje del émbolo de manera

adecuada, totalmente perpendicular, así como el asentamiento del cuerpo de vidrio en

el alojamiento para el mismo. Esto es importante por la fragilidad de este tipo de

jeringas de precisión. Así mismo, al tener muy poca superficie el émbolo de empuje,

https://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi1v9TOtsbZAhXK1RQKHc70Ai4QjRwIBw&url=https://www.fishersci.es/shop/products/hamilton-700-series-microliter-syringes-rn-termination-8/10363851&psig=AOvVaw10Nwi1hb4aQKnb7LavU81Q&ust=1519832286495667





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existe el riesgo de que, ante una obstrucción del conducto de salida, se genere una

sobrepresión en el interior del cuerpo de vidrio, pudiendo provocar la rotura de éste.

Por este motivo, un cabezal de este tipo necesitará algún método de control para

minimizar la posibilidad de rotura por sobrepresión, probablemente a nivel electrónico.

Estas consideraciones se abordarán en futuras fases de proyecto que incluyan un

diseño de detalle del mismo. A continuación, se muestran unas imágenes del diseño

conceptual del cabezal.

Fig. 60 Vista dimétrica cabezal microlitro





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Fig. 61 Vista frontal

Fig. 62 Vista lateral.





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Fig. 63 Vista trimétrica

La fecha de finalización del proyecto coincide con la situación actual del proyecto,

motivo por el cual, es necesario abordar los trabajos de diseño en detalle, ingeniería,

fabricación y validación del cabezal seleccionado en posteriores trabajos a abordar por

PRODINTEC en el campo de la personalización de equipos de impresión 3D para

sectores estratégicos, bien a través de proyectos propios, bien a través de trabajos

colaborativos con terceras empresas a las cuales transferir la tecnología.

D.1.3 Impresión 4D como reto de desarrollo

Dentro del primer hito del proyecto, “nuevos campos para la bioimpresión,

biosensórica e impresión 4D” la tercera aplicación está centrada la impresión 4D,

entendiendo como “cuarta” dimensión el tiempo, y cómo un producto impreso en 3D

puede evolucionar en el citado tiempo ante un estímulo externo o por

autoestimulación.

Para ello, durante la primera anualidad del proyecto se llevó a cabo un análisis acerca

del concepto de impresión 4D como tal, la evolución de la tecnología y los principales

campos de aplicación que recogía la bibliografía.

Durante la anualidad 2017 se llevó a cabo el segundo paso previsto de trabajo, el

análisis de las herramientas necesarias y óptimas para los procesos involucrados,

como base de los procesos de ingeniería, diseño y fabricación de las mismas para,

finalmente, llevar a cabo las pruebas de validación de tecnologías.





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Un resumen de los trabajos realizados es recogido a continuación.

D.1.3.1 Trabajos de validación de la tecnología

Tal y como se observó en la anterior anualidad, en el estudio del estado del arte, la

impresión 4D es una tecnología con un TRL bajo y sus aplicaciones, a excepción de

las relativas a la medicina, son casos teóricos y pruebas de concepto. Por otra parte,

la impresión 4D depende de un desarrollador de materiales y sin él sólo se pueden

estudiar los casos de uso y realizar una evaluación de las futuras líneas de trabajo.

En esta dirección, la plataforma de desarrollo para impresoras 3D sobre la que se ha

estado trabajando en este proyecto es extensible y aplicable a la impresión 4D,

siempre y cuando se disponga de un desarrollador de materiales.

Un gap importante detectado en todos los estudios relativos a impresión 4D y que

puede servir como punto diferencial para el desarrollo, marcando una tendencia global

en este tipo de proyectos, es el desarrollo de un software que asista en el diseño de

este tipo de elementos. Hasta ahora, el diseño se realiza con herramientas de CAD

convencionales sobre las que se diseña una geometría sólida sin tener en cuenta la

evolución temporal del mismo frente a estímulos externos. También resulta interesante

simular este tipo de procesos.

Teniendo en cuenta la composición de lugar obtenida en base al estudio del estado del

arte y sus conclusiones, desde PRODINTEC se realiza una serie de trabajos y

pruebas de concepto para aproximarse a las tecnologías y métodos de impresión 4D.

Se comentan a continuación punto por punto:

Impresión de composites con cristales piezoeléctricos

Se trata claramente de una tecnología que depende de un desarrollador de materiales

y sobre la que no existe margen de acción desde un punto de vista de la Ingeniería y

desarrollo si no se dispone de un socio de este tipo.

Impresión monomaterial con efecto memoria

En esta línea se depende también de desarrolladores de materiales con efecto

memoria. El único material comercial detectado en el mercado fue el essemplex, un

filamento para impresión 3D en desarrollo. El desarrollo de este filamento estaba

condicionado a la financiación obtenida en una plataforma de crowdfunding. Al final de

la campaña recaudó un 10% de sus objetivos por lo que nunca se llegó a

comercializar. Es por ello que no se pudo adquirir. Sin embargo, investigando sobre

posibles materiales comerciales se detecta que el PLA, un material de uso extendido

en industria y fabricación aditiva, tiene una temperatura de transición vítrea de 60 ºC,

lo que implica que a priori tiene efecto memoria. Para probar de forma empírica este

hecho, se prepara un filamento de 10 cm y 1.75 mm de diámetro y se lleva a su

temperatura de transición vítrea. Se pliega y se vuelve a llevar a esa temperatura. El





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resultado es que el filamento vuelve a su estado original concluyendo que es un

material apto para impresión 4D.

En base a esto el segundo ensayo se realiza con una pieza rectangular. Se lleva a la

temperatura de transición vítrea y se deforma (Fig. 64).

Fig. 64 Perfil de la pieza impresa deformada

Se deja enfriar a temperatura ambiente y se vuelve a llevar a su temperatura de

transición vítrea introduciendo la pieza en agua caliente (Fig. 65). En este punto la

pieza recupera por sí misma su forma original (Fig. 66).

Fig. 65 Secuencia de recuperación de la forma original

Fig. 66 Perfil de la pieza tras recuperar su forma

Ampliando en concepto de los ensayos realizados y buscando una aplicación funcional

se realiza uno de los demostradores más típicos de este tipo de materiales

responsivos: un cubo en dos dimensiones capaz de abrirse al alcanzar su temperatura

de transición vítrea. Se diseña en primer lugar el modelo del cubo con un programa de

CAD (Fig. 67). Posteriormente se calienta a 60ºC y se pliega. Se deja enfriar y se

vuelve a calentar para que se despliegue.





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Fig. 67 Modelado 3D del cubo impreso

En la Fig. 68 se muestra la secuencia en la que el cubo vuelve a su forma al

introducirlo en agua caliente. Se puede observar que el proceso es tan rápido, que al

tiempo que se sumerge la pieza en agua se comienza a realizar el cambio de forma.

Fig. 68 Fotogramas del vídeo del ensayo de despliegue del cubo

Impresión SDM

La impresión por deposición de forma consiste en tomar ventaja de la libertad de

diseño que proporciona la impresión 3D para incluir en la geometría desarrollada

materiales con efecto memoria.

Basándose en este concepto se buscó la posibilidad de trabajar con combinaciones de

materiales flexibles y con efecto memoria. Como material flexible se pensó en las

resinas fotopolimerizables de la máquina de impresión 3D Object de Stratasys

presente en PRODINTEC. Esta máquina permite realizar impresión 3D de materiales

flexibles en diferentes grados de dureza, haciéndola ideal para este tipo de producto.

Como materiales con memoria se utilizaron alambres de Nitinol SMA con diferentes

temperaturas de transición.





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El nitinol es una aleación de Níquel y titanio con un marcado efecto memoria. Basa su

efecto en una transición de fases austenítica y martensítica. El proceso de

transformación habitual suele ser con un enfriamiento que favorece la maleabilidad de

la pieza, permitiendo deformar la misma. Un posterior calentamiento a una

temperatura superior a la de transformación devuelve el objeto a la forma original.

Basándose en estos dos materiales, se diseñaron mediante técnicas CAD 3D diversos

ejemplos que pudieran demostrar la tecnología.

El primer objeto diseñado es el más simple, puesto que corresponde a una figura

longitudinal que se deforma en una dirección y se endereza con el cambio de

temperatura.

Fig. 69 Experimentos con elemento longitudinal

Otro objeto diseñado es un taco de bloqueo o fijación. El posible objetivo de esta pieza

podría ser una fijación para tubos u orificios, en el cual, la pieza entrase en una

posición retraída, para posteriormente, una vez expandida, bloque su movimiento.

Utiliza dos filamentos de SMA iguales.





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Fig. 70 Experimentos 4D con taco de bloqueo

Un tercer ejemplo fue una estrella expandible. Esta estrella tiene tres hilos de nitinol,

dos de 1 mm de diámetro y una temperatura de activación de 30 ºC y uno de 0.5mm

de diámetro y temperatura de activación 50 ºC. Con esta diferencia se pueden

establecer órdenes de deformación, lo cual es de suma importancia para estructuras

autoensamblables y otras aplicaciones.

Fig. 71 Experimentos 4D con estrella





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Como se puede ver en la secuencia, cuatro de los brazos se activan en primer lugar,

mientras que los dos últimos, ocupados por el SMA con activación a 50 ºC, se activan

al final del proceso.

Impresión de actuadores para soft-robots

Uno de los elementos más llamativos en este ámbito es el desarrollo mediante

fabricación aditiva de actuadores basados en elastómeros dieléctricos. El proceso de

fabricación convencional conlleva una automatización compleja y costosa. Realizarlo

por impresión 3D acelera el proceso y amplía el rango de geometrías que se pueden

fabricar. Sin embargo, se requiere nuevamente un desarrollador de materiales. En esta

línea uno de los objetivos para futuros trabajos se centra en la búsqueda de socios

desarrolladores del elastómero dieléctrico.

Impresión 4D de estructuras multi-material auto-ensamblables

En esta dirección, para evaluar la tecnología y como toma de contacto, se experimentó

con la respuesta a estímulos térmicos de piezas auto-ensamblables. Se fabrica un

grupo de siete piezas con una geometría de espiral cuadrada y un material con efecto

memoria en los vértices. Las piezas tienen la misma geometría y dimensiones, pero

diferentes concentraciones de material con efecto memoria. El objetivo del

experimento, además de adquirir el know-how, consiste en evaluar los tiempos de

respuesta del cambio de forma, su capacidad para volver al estado inicial y anotar las

variables ambientales que pueden afectar a dicho proceso.

Fig. 72 Pieza fabricada

El protocolo seguido es el siguiente:

Se calienta agua por encima de la temperatura de transición vítrea del polímero

con efecto memoria.

Se introduce la pieza correspondiente.

Se esperan 10 segundos para que se alcance el equilibrio térmico.

Se extrae la pieza y se estira.

Se esperan dos minutos para que enfríe la misma a temperatura ambiente.

Se vuelve a introducir la pieza en agua caliente.

Se observa la recuperación de su geometría y se anota el tiempo empleado.





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En la Fig. 73 se muestra cómo la pieza tras estirarse y volver a su temperatura de

transición vítrea regresa a su estado inicial. En este caso concreto, la pieza colisiona

consigo misma al auto-ensamblarse.

Fig. 73 Fotogramas de vídeo del experimento

En la Fig. 74 se representan dos curvas, correspondientes al tiempo de plegado para

cada pieza (cada una tiene una proporción de material de efecto memoria diferente) a

dos temperaturas diferentes (80ºC y 100ºC).

Fig. 74 Tiempo de plegado de la pieza en función de la concentración del material de

cambio de fase

Las observaciones realizadas son curiosas pues no parece existir una correlación

entre la concentración del material de efecto memoria y el tiempo en realizar el

plegado. Analizando los factores ambientales se observa que la fuerza al realizar el

pliegue es baja, por lo que rozamientos durante el movimiento afectan a los

resultados. Otro factor muy importante son las colisiones. Esto es consecuencia de no

realizar una simulación del pliegue, pues en el caso de que se hubiese realizado

durante el diseño se habría podido comprobar.

Al detectarse estos problemas, se realiza un segundo experimento en el que se varía

la concentración de material en cada vértice, de modo que la pieza se pliegue de

forma progresiva y ordenada desde el interior hasta la parte más externa de la espiral.

Al realizar el segundo ensayo (Fig. 75), se consigue el resultado óptimo, consiguiendo

que la pieza recupere completamente su estado inicial.





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Fig. 75 Fotogramas del vídeo del segundo ensayo

Impresión 4D para medicina

El último punto abordado desde el enfoque de la impresión 4D es su potencial

aplicación al campo de la medicina. Tal y como se recogía en la justificación de 2016,

la medicina representa probablemente la principal aplicación de dicha tecnología pues,

dada la complejidad del cuerpo humano y la enorme capacidad de generar estímulos

de diferente naturaleza, la posibilidad de desarrollar materiales e imprimir productos

que respondan a dichos estímulos, supondrá un avance en la medicina de elevado

calado.

En este sentido y conocida dicha situación, desde PRODINTEC se ha llevado a cabo

una labor de transferencia de tecnología y conocimiento que dio lugar a la

presentación y obtención de un proyecto dentro del programa internacional M-Era-

NET. De acrónimo Dressin4scars, el proyecto se encuentra en plena fase de

desarrollo y desde PRODINTEC se abordará el diseño y desarrollo del equipo de

impresión 3D personalizado.

Conclusiones

La personalización de equipos de bioimpresión 3D para su aplicación en

diferentes campos se han postulado como un claro modelo de negocio que

permite una adaptación a las necesidades de cada investigación.

El modularidad como concepto clave en dicha personalización permite abrir

una ventana clara de actuación en cuanto a bases de desarrollo. De esta





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manera, la posibilidad de disponer de una plataforma electrónica para el

desarrollo de impresoras 3D, permite abrir el camino del desarrollo de nuevas

tecnologías y cabezales de impresión, tanto en los campos recogidos en el

presente proyecto, como abriendo la puerta a otras áreas y técnicas de

impresión que sea demandada.

Además, la aplicación de tecnologías de fabricación aditiva para la construcción

de los cabezales permite una libertad en el diseño que lleva consigo la

eliminación de limitaciones en cuanto al producto final a conseguir.

Sin embargo y a pesar de estas bondades, todo trabajo relacionado con la

bioimpresión 3D debe llevar asociado una colaboración multidisciplinar pues,

para poder desarrollar un equipo personalizado a medida de las propiedades y

reología de una biotinta determinada, hay que desarrollar dicha biotinta.

Con todo y gracias a los trabajos de networking del Centro, los resultados

mostrados a lo largo de la presente memoria han mostrado las enormes

posibilidades de la línea de trabajo marcada por PRODINTEC centrada en que

NO existe una bioimpresora universal porque NO existe una biotinta universal

y, por tanto, es necesario llevar a cabo la personalización de las mimas si se

quieren mejorar los resultados.

D.2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TÉCNICAS AVANZADAS DE IMPRESIÓN 3D PARA EL SECTOR ALIMENTARIO

El primer trabajo realizado en el campo del sector de la alimentación fue la definición

de los requerimientos iniciales, actividad realizada durante la anualidad 2016 y ya

justificada. En ellos se recogía como, de manera principal, se seleccionaban las

tecnologías de impresión 3D por deposición de material fundido (FDM) y la deposición

de fluidos como principales alternativas sobre las cuales llevar a cabo la

personalización de los equipos, viendo los ámbitos de aplicación más propicios en las

aplicaciones de la denominada “alta cocina” dentro del segmento del chocolate y la

texturización de alimentos.

D.2.1 Personalización de equipos de impresión 3D para la

industria alimentaria.

A partir de los citados requerimientos, ya durante la anualidad de 2016 se comenzaron

los trabajos de personalización de los equipos de impresión 3D a través de los

procesos de ingeniería (conceptual y detalle) dirigido al diseño CAD 3D, cálculo de

elementos y diseño o selección de componentes electrónicos, así como del firmware

de control; una implementación de las herramientas de impresión, fabricando todos los

elementos diseñados, adquiriendo aquellos comerciales e implementando todo ello en

el equipo de impresión que daba lugar a la realización de los primeros experimentos.





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D.2.2 Ingeniería de detalle

El objetivo de la ingeniería de detalle es dar respuesta a los requerimientos generados

tras el análisis de las tecnologías y necesidades técnicas de un proyecto de

investigación de impresión 3D de alimentos, tanto en cuanto a tipología de impresora,

como de tipologías de cabezales.

De esta manera, existen dos tipos de impresoras dominantes que puedan ser

aplicables a este tipo de cabezales: a) las impresoras cartesianas y; b) las impresoras

de tipo delta. En cuanto a la tipología de cabezales personalizados, el análisis previo

determinó que era necesario llevar a cabo el desarrollo de dos tecnologías

diferenciadas: modelado por deposición fundida (F.D.M) y deposición de fluidos.

Impresoras cartesianas

Impresora de partida al inicio del proyecto, fue la elegida para la realización de los

primeros trabajos de impresión con chocolate mostrados en 2016. Estos primeros

trabajos fueron complementados a lo largo de la anualidad de 2017 tal y como se

muestra en puntos posteriores de la presente memoria, sin necesidad de llevar a cabo

modificaciones de reingeniería en el equipo.

Impresoras tipo delta

Las impresoras de tipo delta presentan una estética más cuidada y limpia, permitiendo

además mantener alejada la parte mecánica de la zona de impresión, cualidad

sumamente interesante de cara a trabajar con productos alimenticios. Por el contrario,

tiene una limitación de peso en el cabezal, lo cual limita el tipo de cabezal a utilizar, o

condiciona su desarrollo, además de ser más complejas de calibrar.

De manera general, esta estructura consta de un cabezal accionado por tres brazos

que son movidos por tres actuadores lineales situados en vertical y equiespaciados

120 º. El movimiento de las guías lineales articula el movimiento de los brazos que a

su vez posicionan el cabezal.

Fig. 76 Tipología impresora delta





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Todo el trabajo realizado en su desarrollo fue llevado a cabo en 2016, no siendo

necesario modificar en 2017 su estructura pues, las diferentes actividades de

reingeniería en esta anualidad se centraron en la modificación de cabezales de

impresión tal y como se recoge en los puntos posteriores de la presente memoria.

Cabezal tipo FDM

El primero de los cabezales a desarrollar fue el basado en modelado por deposición

fundida (F.D.M.), el cual consta de dos elementos clave: el sistema mecánico para el

empuje de material y el control de temperatura.

Los trabajos de desarrollo del cabezal y elementos auxiliares de encaje del mismo

fueron llevados a cabo durante 2016 y justificados en su momento, dando lugar al

producto mostrado en la Fig. 77, no siendo necesaria su modificación durante 2017.

Fig. 77 Imágenes 3D del cabezal

Cabezal de deposición de fluidos

Por lo que respecta al cabezal de deposición de fluidos, durante la anualidad de 2016

se llevó a cabo el diseño del mismo, trabajando sobre un cabezal es de tipo bowden

donde el depósito y la boquilla están separados. La boquilla se fija en el cabezal de

impresión y el depósito en la estructura. De esta forma, el depósito se mantiene

estático y el sistema de posicionamiento sólo tiene que mover la boquilla, reduciendo

notablemente las especificaciones dinámicas de la máquina.

Fig. 78 Vista resistencia calefactora 3D del cabezal y estructura soporte





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Implementación de herramientas de impresión

Una vez realizados los trabajos de análisis de trabajo e ingeniería de detalle, durante

la anualidad de 2016 se comenzaron los trabajos de implementación de las

herramientas de impresión centradas en la puesta en funcionamiento de los dos

equipos de impresora (cartesiana y “delta”), a los cuales se adaptó el cabezal de

impresión FDM. Estos trabajos fueron completados a lo largo de 2017 tal y como se

recoge a continuación.

Impresora tipo cartesiana

Los primeros trabajos realizados en 2016 fueron aquellos relativos a la impresora tipo

cartesiana pues, como ha sido comentado previamente, se podía utilizar parte del

know-how previo del Centro, facilitando así las actividades a realizar.

Fig. 79 Estructura cartesiana con cabezal FDM

Impresora tipo delta

El segundo tipo de impresora a implementar fue la definida como tipo “delta”. A lo largo

de la anualidad 2016 se llevó a cabo su montaje e implementación tal y como recogen

las imágenes mostradas a continuación.

Fig. 80 Impresora Delta construida: detalle con brazos, guía y estructura





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Dada la tipología del equipo mostrado, cabe destacar de manera independiente el

trabajo realizado por PRODINTEC en la generación de uno de los puntos clave de la

impresora: los cabezales de impresión, donde tanto cabezal, como elementos

auxiliares al mismo merecen ser resaltados.

Cabezal FDM

Los trabajos iniciales en cuanto a la implementación del cabezal de FDM en este tipo

de impresora fueron llevados a cabo a lo largo de 2016, realizando la construcción de

la estructura de anclaje y acople del cabezal de tipo FDM tal y como se recoge a

continuación.

Fig. 81 Imagen cabezales

Tras la fabricación y montaje de los mismos en la anualidad 2016, a lo largo de 2017

se abordó el ajuste de parámetros en el programa de control de la impresora, así como

la carga en la electrónica. Los parámetros a configurar son parámetros dimensionales

de la máquina tales como longitudes de las guías altura del cabezal, etc. Este proceso

es crítico pues de la exactitud de estos parámetros depende el correcto

funcionamiento de la máquina y su precisión. El siguiente paso es el ajuste de correas

y elementos móviles para optimizar el correcto funcionamiento.

Con el sistema cinemático en funcionamiento, el siguiente paso es el test y validación

de la integración mecánica. En este punto se encontró que, aunque a priori el

funcionamiento era válido, se observaban vibraciones y una elevada inercia en el

cabezal. Analizando este hecho, se determinó buscar minimizar estos efectos y se

encontraron como factores que contribuían a su origen:

El punto de sujeción del cabezal: el punto de sujeción del cabezal influye en el

movimiento de cabeceo del mismo. Es decir, si se sujeta en su parte más

inferior, la parte superior ejerce un momento de rotación sobre la base al

producirse aceleraciones. En caso de sujetarse en la parte superior, la parte

inferior (que es la que está en contacto con la figura que se imprime) oscilaría

dando lugar nuevamente a errores.





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Masa del cabezal: a mayor masa mayor inercia.

Rozamiento de las rótulas: las rótulas son los elementos mecánicos que unen

el cabezal de impresión con los brazos. Son un elemento que debe presentar el

mínimo rozamiento para garantizar un adecuado juego.

Fig. 82 Detalle de las rótulas

Con la anterior diagnosis realizada, se llevó a cabo el trabajo centrado en la

minimización de los efectos. Para ello, en primer lugar se decidió mantener la masa

del cabezal pues una restricción marcada por el propio tipo de cabezal: todos los

elementos con los que cuenta son imprescindibles y su masa fue optimizada en

diseño.

En cuanto al punto de sujeción, fue necesario probar con diferentes alternativas, desde

el punto más inferior hasta el más superior. Sujetando el cabezal por debajo de su

punto medio se observó que se producen interferencias mecánicas con los brazos de

la impresora. Al final se concluye que el punto óptimo para minimizar errores es el

punto medio.

Por último, evaluar el rozamiento de las rótulas llevó a la conclusión de cambio de las

mismas por otras con menor rozamiento y mayor eficiencia: las especificaciones

ofrecidas por el fabricante de las rótulas no coincidieron con su funcionamiento real. A

pesar de aplicar lubricantes a sus elementos móviles no se pudo conseguir un

funcionamiento adecuado.

Por este motivo fue necesario rediseñar la pieza de sujeción para adaptar a otro tipo

de rótulas. Las nuevas rótulas requieren más tiempo de montaje, pero su eficiencia es

mayor.

Con todos estos cambios y acciones correctivas aplicadas, se observa una gran

mejoría sobre el funcionamiento del equipo. Sin embargo, y a pesar de ello, todavía se

comprueban ciertas vibraciones y errores de posición en el movimiento del cabezal. Se

considera que estas vibraciones están en el límite de las especificaciones y, por tanto,





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y dada la complejidad para su cuantificación, se debe evaluar su validez directamente

en la etapa de validación.

Cabezal de deposición de fluidos

A lo largo de la anualidad de 2017 se llevaron a cabo todos los trabajos encaminados

a la obtención de cabezales de deposición de fluidos aptos para este tipo de

impresoras. Para ello, el primer paso para implementar el citado cabezal se centra en

la construcción de los elementos diseñados y su integración en la estructura de la

impresora para su validación mecánica, a fin de rediseñar los elementos necesarios.

Tras el montaje, fueron configurados los parámetros del extrusor en la electrónica de

control. Con ello se realizan las pruebas del extrusor, en las que se analiza:

La extrusión del material.

La usabilidad.

El estrés mecánico al que están sometidos los elementos y su durabilidad.

Para evaluar sólo la capacidad del extrusor se fija un líquido de prueba de modo que

no haya parámetros ajenos al extrusor que varíen y los ensayos sean repetibles y

concluyentes. A raíz de las pruebas se observan los siguientes resultados:

Los elementos que mayor estrés mecánico soportan son el émbolo del

depósito, la base del depósito y la boquilla: esto se debe a que son las que

aguantan la presión del fluido por lo que sería ideal para reducirlos y mejorar la

durabilidad de la máquina, hacer más fuerte el depósito y aumentar secciones

de salida del fluido y de entrada a la boquilla.

Se observa que en la extrusión del material la manguera de silicona induce a

errores de deposición: al tratarse de un material elástico y trabajar con fluidos

no newtonianos con viscosidades “elevadas”, la manguera se elonga

disminuyendo su sección. Cambia la velocidad del fluido y se producen

pérdidas de carga, de modo que para viscosidades diferentes se imprimirían

cantidades diferentes de material.

Se detecta que se podría mejorar la ergonomía en el agarre del depósito.

También se incluye una purga de aire en el émbolo del depósito para evitar que

al cargar el material quede aire que contribuya a la compresibilidad del fluido.

Por todo ello, fue necesario llevar a cabo una tarea de rediseño del mismo sobre el

inicial, eligiéndose además un cambio en el material de la manguera: de la silicona, se

pasa a PET (tereftalato de polietileno). La manguera de PET es más rígida y cuenta

con una menor rugosidad superficial por lo que se minimizan las pérdidas de carga. Se

observa una notable mejoría en la extrusión. De esta manera, para mejorar la

resistencia mecánica del cabezal se rediseña la pieza de soporte manteniendo el

bloque del motor y los engranajes (Fig. 83)





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Fig. 83 Nuevo soporte de extrusor

El cambio incluido en el rediseño se centra en unir el depósito al soporte directamente

a través de un soporte intermedio con tornillos (Fig. 84):

Fig. 84 Soporte de extrusor con soporte de depósito

El soporte del depósito en turquesa aloja el depósito, buscando mejorar

considerablemente la manejabilidad del útil al poder ser montado el citado depósito

con una sola mano. Para ello, el soporte está enroscado interiormente en la parte

superior y el depósito está enroscado en su parte exterior. Además, para mejorar aún

más la ergonomía se dota al depósito de un agarre de teflón (FIg. 85).

Fig. 85 Rediseño 3D del depósito con el agarre de teflón insertado en la parte inferior





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Fig. 86 Rediseño 3D del extrusor con soporte y depósito

Finalmente, en la pieza de la boquilla se aumenta la sección de entrada de material

para minimizar pérdidas de carga del fluido y se aumenta el grosor de las paredes del

plástico para hacer más robusta frente a desgaste.

Fig. 87 Rediseño 3D de la boquilla

El conjunto completo rediseñado previo a fabricación se muestra recogido en la figura

88.

Fig. 88 Imagen 3D del conjunto rediseñado

Con todo ello y una vez concluido el rediseño, se llevó a cabo la fabricación de los

elementos empleando para ello las tecnologías de fabricación de las que dispone

PRODINTEC en sus instalaciones, dando lugar a los productos finales ya dispuestos

para montaje, tanto del soporte del extrusor, como del motor en la estructura,

elementos fijos a la estructura que no se desmontan pues no están en contacto directo

con los alimentos.





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Fig. 89 Soporte de extrusor con motor acoplado

Posteriormente se llevó a cabo el montaje del soporte del depósito, nuevamente

elemento fijo a la estructura que no se desmonta.

Fig. 90 Soporte del depósito

Por el contrario, el depósito y la boquilla, así como el émbolo que empuja el fluido, si

son elementos que se desmontan (Fig 91 Depósito y boquilla) para su manipulación

pues en ellos se carga el material y deben limpiarse tras el uso de la impresora

Fig. 91 Depósito y boquilla

Por último, pero no menos importante, una vez finalizado el rediseño y para garantizar

la ergonomía, se pensó en una simplificación de la manipulación y el procedimiento de

carga del fluido. Para ello se muestra cómo es posible la colocación de la boquilla en

el actuador (Fig. 92) y del depósito en el soporte correspondiente de manera sencilla

con una sola mano (Fig. 93).





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Fig. 92 Demostración de carga de depósito ergonómicamente (con una mano)

Fig. 93 Boquilla situada en el actuador

D.2.3 Realización de experimentos y evaluación de resultados.

La realización de experimentos en el ámbito de la impresión de alimentos se inició en

la última mensualidad de la anualidad de 2016. Así, a partir de toda la información

recogida como entregable en la definición de requerimientos, vistas las posibles

alternativas de trabajo y desarrollados los primeros equipos de impresión, se decidió

iniciar los trabajos con un alimento que podría responder de manera válida a las

propiedades de las impresoras y los cabezales, el chocolate. Durante 2017 se llevó a

cabo la finalización de los trabajos con dicho alimento, así como aquellos centrados en

la búsqueda de nuevos diseños y geometrías gracias al empleo de gelificantes

naturales empleados en la cocina tradicional.

El resumen de las actividades realizadas aparece recogido a continuación.

D.2.3.1 Impresión con chocolate

Impresora cartesiana

Las pruebas iniciales de impresión de chocolate fueron llevadas a cabo en 2016

empleando un cabezal de modelado por deposición fundida (FDM), siguiendo una

metodología de trabajo básica encaminada a conseguir resultados con diferentes

configuraciones y chocolates.





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Fig.94 Primeras impresiones en chocolate

Con los primeros trabajos realizados ya han quedado plasmadas dos limitaciones

claras en la impresión de este material:

La tipología del chocolate: cada marca comercial posee su formulación que

produce diferencias en los procesos de impresión.

La calibración del equipo: Esta situación está directamente ligada con las

características del chocolate seleccionado pues en función de la densidad del

mismo una vez fundido, su consistencia y su temperatura de fusión, la

calibración en cuanto a distancias entre base y cabezal, velocidad de impresión

y código de impresión varían.

A partir de dichos trabajos, durante la anualidad de 2017 se concluyeron las

actividades de impresión con impresora cartesiana siendo alguno de los ejemplos de

impresión recogidos a continuación en la figura Fig. 95 Diferentes impresiones en

chocolate.

Fig. 95 Diferentes impresiones en chocolate





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Como se puede comprobar, logos, cubos y vasos han sido testados con diferente éxito

en función del volumen 3D a realizar: logos y estructuras planas se muestran más

sencillas que estructuras tridimensionales más convencionales (como un vaso).

La evaluación de los resultados obtenidos ha permitido determinar los

problemas/características asociadas con la impresión y que pueden ser resumidas

como:

Presencia de cámaras de aire en el extrusor: Esto hace que el contenido del

mismo sea compresible. En ese caso, cuando se inicia el proceso de

impresión, el material tarda en salir durante un tiempo (se extruye en vacío)

porque se está comprimiendo el aire. Cuando se para la extrusión, el chocolate

se expande y continúa saliendo material (de forma involuntaria).

Altura de la primera capa. La altura de la primera capa es un factor crucial para

obtener un buen resultado. Si en la primera capa el cabezal está muy alto el

material no se adhiere al soporte sobre el que se imprime. Si la altura es muy

baja, el chocolate no puede salir al exterior y se comprime hasta que comienza

a imprimirse la siguiente capa cuando el extrusor sube y sale el material de

forma involuntaria. La altura de la primera capa es la suma del offset del

extrusor con respecto a la base más la altura configurada en el software de

comunicación. Como regla general se suele fijar una altura de 0,4 mm ó 0,3

mm.

Factores ambientales y temperatura. La temperatura del chocolate es crucial

tanto para garantizar la fluidez del material como para garantizar una

cristalización adecuada. Si dentro del extrusor el chocolate tiene una

consistencia muy líquida éste se desparrama al imprimir y en ocasiones sale

sin ser empujado. Si es muy sólido, corre el riesgo de solidificarse y bloquear la

salida. Lo ideal es conseguir una temperatura lo más baja posible que permita

la salida del material. Fuera del extrusor es necesario que la temperatura

permita una solidificación adecuada de las capas más bajas para que tengan la

consistencia necesaria para soportar el peso de las capas superiores. Para

garantizar esto se añadió un ventilador al extrusor para mejorar el enfriamiento

del chocolate por convección. Los mejores resultados obtenidos se

consiguieron con temperaturas entre 33 y 37 º C. La solidificación también

debe realizarse en condiciones que permitan un estado de cristalización del

chocolate con las propiedades organolépticas deseadas. Tanto si esta es muy

rápida, muy lenta o muy brusca el chocolate cristaliza en una de sus 5 formas

pudiendo llegar a perder propiedades en cuanto a sabor y textura. Como ésta

se realizó a temperatura ambiente, es un factor que no se controló y por tanto

las muestras presentan en ocasiones manchas de color blanco (la grasa está

separada del resto de componentes y cristalizada en la superficie).

Composición del chocolate. La composición del chocolate es una propiedad

que puede compensar la influencia de los factores anteriores, sobre todo los

relacionados factores ambientales. Además de la reología del chocolate, es





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importante que no contenga trazas de frutos secos u otras sustancias que

puedan atascar el extrusor.

Robustez mecánica de la máquina. Éste es un factor muy importante que tiene

gran incidencia entre los resultados obtenidos y en su repetitividad (y en

consecuencia reproducibilidad). La ausencia de una robustez en el extrusor

proporcionaría movimientos de cabeceo y alabeo en el cabezal introduciendo

defectos.

Además, y en términos de análisis de la usabilidad del prototipo, las principales

conclusiones obtenidas son las siguientes:

La carga del chocolate en el extrusor es un proceso delicado que requiere

tiempo y esfuerzo. Además, debe regularse la temperatura adecuada para el

chocolate.

Conseguir la calibración adecuada es difícil y conlleva un proceso iterativo (de

prueba y error) tedioso y es determinante para la calidad de los resultados. En

un producto vendible éste debe venderse calibrado y debería ser

autocalibrable.

Configurar los parámetros de impresión requiere realizar varias pruebas y es

difícil encontrar una configuración para conseguir los resultados adecuados.

Por este motivo el software y el hardware deben tener todas las opciones

bastante acotadas.

Limpiar el extrusor y la impresora es una tarea tediosa.

La influencia de factores ambientales debería eliminarse aislando la impresora

del ambiente colocado una carcasa protectora (esto también impide accidentes

durante el proceso de impresión).

Impresora tipo delta

Siguiendo la tipología de trabajo marcada para los alimentos, la segunda tentativa de

uso de chocolate venía derivada del empleo de impresoras tipo “delta”. Para ello, los

primeros trabajos fueron llevados a cabo empleando el mismo cabezal de modelado

por deposición fundida (FDM) empleado con las cartesianas.

El proceso de trabajo seguido (fundir chocolate, carga de extrusor, etc.) es análogo al

anterior y sencillamente cambiaba la tipología de trabajo del prototipo y, por tanto, los

parámetros de control.

Sin embargo y a pesar de todas las pruebas realizadas y de haber optado por los

elementos que dentro de la eficiencia en coste y una adecuada funcionalidad

garantizasen la robustez, NO ha sido posible llevar a cabo un proceso de impresión

óptimo debido al excesivo peso del cabezal de impresión, que afecta a la exactitud y

repetibilidad de las trayectorias trazadas para imprimir. En las pruebas realizadas

durante la validación mecánica se observaba y preveía una elevada inercia para el

cabezal. Al añadir la carga de chocolate este exceso de peso incrementa y afecta por





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una parte al desempeño de los motores y las correas de trasmisión de los ejes de

movimiento de la impresora pues patinan, perdiendo el posicionamiento marcado para

la impresión y, por tanto, imposibilitando la obtención de los diseños marcados. Por

otra parte, el peso del cabezal hace que tenga una inercia elevada y en las

aceleraciones oscile dando lugar a unas tolerancias inadecuadas.

Como alternativa, el segundo punto de control estaba basado en el empleo de un

cabezal de deposición de fluidos. Este tipo de cabezal presenta unas mejores

propiedades de uso para este tipo de impresora y sus características podrían

proporcionar alternativas para el empleo de chocolate.

Como metodología de trabajo se establece una análoga a la descrita para el cabezal

de FDM basada en:

1. Se funde el chocolate: Para ello se probó un horno microondas, una resistencia

calentadora y fogón de cocina. Se debe buscar una mezcla viscosa

homogénea que evite la presencia de restos sólidos.

2. Se carga el chocolate en el cabezal por la parte superior, abierta y de gran

volumen de entrada, manteniendo la parte inferior (salida) elevada para evitar

la caída por presión.

3. El siguiente paso se centra en colocar el cabezal en la impresora. Se ajusta la

boca de entrada en la parte del eje superior (fijo) y la parte de salida en la

inferior (móvil)

4. Finalmente se inicia el proceso de impresión propiamente dicho, observando la

evolución del mismo y se retira el resultado para evaluarlo.

Este tipo de proceso de trabajo presentaba en su inicio un déficit claro que podría

producir problemas de impresión: la NO atemperación del cabezal, situación que

podría enfriar el chocolate, obstruyendo con ello la impresión.

Esta limitación ya contemplada antes de la realización de experimentos se vio,

desafortunadamente, reflejada durante las pruebas de impresión pues, a pesar de

intentar mantener el calor chocolate antes de la carga del cabezal, el tiempo de carga

y posicionamiento del mismo, unido a la pérdida térmica asociada al contacto con las

diferentes partes del cabezal ha hecho que la obstrucción de la impresión haya sido

constante, con el consiguiente problema posterior de limpieza del equipo.

Además de todo esto, por su reología el chocolate tiene una viscosidad tan alta que

somete el motor y los elementos mecánicos a un estrés que puede influir en la

durabilidad de la máquina. Esto tiene dos consecuencias: o se sobredimensionan los

elementos del cabezal encareciendo la máquina o la durabilidad de esta es limitada

incurriendo en costes de mantenimiento y de reemplazo de piezas.

Conclusiones

Las pruebas realizadas muestran que la mejor posibilidad para la impresión de

chocolate está basada en el empleo de una impresora tipo cartesiana con

cabezales tipo FDM.





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Con todo ello, la calibración del equipo del equipo resulta esencial al estar

directamente ligada con las características del chocolate a emplear pues, en

función de la densidad del mismo una vez fundido, su consistencia y su

temperatura de fusión, la calibración en cuanto a distancias entre base y

cabezal, velocidad de impresión y código de impresión varían.

Por este motivo, la tipología del chocolate es básica para la realización de los

experimentos pues, como ha quedado reflejado, cada marca presenta unas

peculiaridades diferentes en cuanto a densidad del chocolate fundido,

temperatura de fusión y presencia de trazas sólidas. Este último punto juega un

papel muy importante pues la presencia de dichas trazas sólidas (proveniente

de frutos secos) hacen que el cabezal se pueda llegar a obstruir,

imposibilitando el proceso de impresión y conllevando un posterior proceso de

vaciado y limpieza del cabezal.

Por último, el control de los factores ambientales y de temperatura

representan el último elemento de control a valorar en un equipo pues se debe

conseguir siempre el equilibrio de viscosidad en el chocolate que permita su

impresión sin que se produzca una solidificación del mismo y, por tanto, una

obstrucción de la impresión.

Por este motivo, desde PRODINTEC se considera como óptimo el desarrollo de un

trabajo (proyecto) posterior de la mano de un fabricante (formulador) de chocolate que

permita el desarrollo a medida de un equipo de impresión cerrado (control de

parámetros), pequeño, de fácil limpieza que responda a las propiedades físico-

químicas de una formulación de chocolate desarrollada a medida para la impresión

3D.

D.2.3.2 Empleo de gelificantes

Una de las principales ventajas del empleo de la impresión 3D se centra en la libertad

de diseño a la hora de generar los productos a obtener. En este sentido, en

aplicaciones culinarias el principal camino para conseguir nuevas formas y texturas

está basada en el empleo de diferentes tipos de espesantes y gelificantes, productos

capaces de proporcionar volúmenes y, por tanto, formas, a productos que de manera

intrínseca no disponen de ellos (purés, batidos, zumos, etc.).

En esta línea de trabajo, uno de los principales impulsores del empleo de este tipo de

productos en la denominada “cocina moderna” ha sido Ferrán Adriá, el cual presenta

recogido un resumen de los trabajos (experimentos) llevados a cabo junto con su

hermano Albert. 1 En dicho trabajo muestra las diferentes posibilidades de gelificantes,

aplicaciones recomendadas, características físicas e incluso dosificación del producto

tal y como recoge la figura 96

1 http://albertyferranadria.com/esp/texturas-info.html

http://albertyferranadria.com/esp/texturas-info.html





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Dicha documentación resulta de elevada utilidad para poder reproducir recetas de

cocina conseguidas por metodologías convencionales, así como para conocer las

texturas y posibilidades de los productos utilizados, partiendo de una dosificación ya

tipificada como útil.

Sin embargo, las características de trabajo de la impresión 3D hacen que dicho trabajo

solamente puede ser considerado como un punto de partida, pues es necesario

realizar un trabajo integral de análisis de dosificaciones óptimas de empleo.

Fig. 96 Posibilidades empleo gelificantes

Para ello y siguiendo la metodología de trabajo empleada hasta la fecha, el primer

punto está basado en la definición de la tipología de impresora y de cabezal a

emplear. En este sentido, el producto de impresión deseado es un gel que debe ser

formado previamente con calor por mezcla de componentes y que, una vez formado,

gelificaría una vez enfriado. Por este motivo, se selecciona como impresora, una

impresora tipo delta que disponga, de manera lógica, de un cabezal de deposición

de fluidos.

La impresora tipo “delta” empleada tal y como se fija en las especificaciones del

proyecto es una tipología adecuada por su limpieza. Además, como la deposición de





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geles se utiliza en alta cocina, se elige este tipo de estructura pues los elementos

mecánicos se pueden ocultar con facilidad y facilita conseguir un diseño más estético.

Para su utilización en las pruebas de gelificación se empleó además un cabezal de

deposición de fluidos de tipo bowden (el depósito se encuentra estático y fijado a la

estructura de modo que se quita peso del cabezal), pues a raíz de las pruebas

realizadas con el cabezal de tipo F.D.M. se había concluido que un cabezal con una

masa elevada ocasiona errores y tiene una repetibilidad inaceptable.

Para garantizar una homogeneidad de actuación y facilitar el análisis posterior de

resultados, nuevamente se estableció una metodología de trabajo común para las

pruebas basada en:

1. Mezcla alimento y gelificante: Una vez pesadas/medidas las cantidades

elegidas de alimento y gelificante, en un recipiente y a temperatura ambiente

se lleva a cabo la disolución del gelificante en el alimento elegido bien con

varilla, bien con batidora.

2. Calentamiento de la mezcla. La mezcla se lleva a ebullición (80ºC) para activar

el gelificante, removiendo para evitar que se queme y destruya.

3. Enfriamiento de la mezcla. La mezcla ya “activada” se deja reposar en un

recipiente hasta llegar a temperatura ambiente, dejando actuar así las

propiedades de gelificación.

4. Carga del cabezal. Con la textura adecuada para cada agente gelificante

utilizado se procede a la carga del cabezal con la misma.

5. Colocación del cabezal en la impresora. Se ajusta la boca de entrada en la

parte del eje superior (fijo) y la parte de salida en la inferior (móvil)

6. Finalmente se inicia el proceso de impresión propiamente dicho, observando la

evolución del mismo y se retira el resultado para evaluarlo.

Para la realización de los experimentos, el primer paso del trabajo consistió en la

elección de un gelificante y un alimento de control que permitiera determinar cuál era

la dosificación óptima de partida a utilizar en los procesos de impresión 3D. Una vez

llevados a cabo los primeros experimentos con dicho agente de gelificación, los

trabajos de validación se extendieron a nuevas mezclas.

D.2.3.2.1 Gelificante 1: IOTA

Como ha sido comentado previamente, el primer paso de los trabajos con gelificantes

estuvo basado en la determinación de la dosificación óptima de control. Para ello, se

tomó como gelificante de control la Iota y como alimento el batido de fresa,

siguiendo las recomendaciones que Adriá mostraba en cuanto al empleo de la citada

Iota en gelatinas lácteas y bebibles.

Gelificación con lácteos

Las pruebas de control estuvieron basadas, inicialmente, en dos comprobaciones de

textura:





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Textura una vez enfriada en recipiente.

Textura una vez enfriada en placa de impresión (sin necesidad de llevar a cabo

la propia impresión).

De esta manera, se partió de la concentración (dosificación) inicial que recomendaba

Adriá en la bibliografía y se fue aumentando la cantidad hasta acercarse a las

cantidades recomendadas por el fabricante de la Iota que dieran lugar a un producto

totalmente solidificado. Un resumen de los resultados obtenidos se muestra recogido

en la tabla 4.

Alimento Gelificante Comentario

Batido

fresa

Concentraciones

Crecientes IOTA

Textura en recipiente: Textura externa de gel que embebe más líquido.

Textura en placa: Gotas viscosidad no muy elevada

Textura en recipiente: Textura tipo “natilla” bastante móvil.

Textura en placa: Gotas potencialmente buenas.

Textura en recipiente: Textura ya más gel, más tipo “flan”

Textura en placa: Gotas de viscosidad potencialmente correcta.

Textura en recipiente: Textura gel sólido una vez frío

Textura en placa: Gotas de viscosidad óptima.





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Textura en recipiente: Textura gel solido una vez frío

Textura en placa: Gotas de viscosidad óptima.

Tabla. 4 Pruebas dosificación gelificante (Iota) para impresión 3D batido de fresa

Como se puede observar, se consigue una variedad en la optimización de

concentración para su empleo en impresión 3D. Las primeras pruebas de impresión

realizadas siguiendo con el proceso de trabajo recogido previamente fueron llevadas a

cabo con una mezcla de Iota y batido de fresa en concentración óptima a través del

diseño de una estructura 3D sencilla (un cubo). Los resultados obtenidos son los

mostrados a continuación (Fig 97)

Fig. 97 Pruebas de impresión 3D. Iota/batido de fresa

Como se puede comprobar, las pruebas de impresión fueron exitosas consiguiendo

una consistencia correcta del producto impreso en altura. Toda prueba encaminada a

conseguir la misma consistencia con la menor cantidad de Iota posible resultó

infructuosa tal y como se puede comprobar en la figura 98.





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Fig. 98 Pruebas de impresión 3D. Reducción de concentración de IOTA

A partir de dicho punto de partida, se llevó a cabo la constatación de dichos valores

con otros dos tipos de batido de la misma marca y de diferente sabor, vainilla y

chocolate, así como con el producto lácteo por antonomasia, la leche.

Para la impresión de batido de vainilla, además de con las condiciones óptimas

también se quiso corroborar que la disminución de la concentración de Iota afectaba a

la consistencia y no dependía del sabor del batido. Los resultados permiten comprobar

que, nuevamente, la impresión solo es válida cuando se emplea la concentración de

Iota optimizada en los procesos de control inicial.

Fig. 99 Pruebas de impresión 3D con concentración óptima Iota/batido de vainilla

Fig. 100 Pruebas de impresión 3D disminución concentración Iota/batido de vainilla

Los resultados con Iota en batido de chocolate en la dosificación óptima de control son

recogidos en la figura 101.





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Fig. 101 Pruebas de impresión 3D. Iota/batido de chocolate

Por último, la impresión con leche es llevada a cabo nuevamente con la dosificación

óptima de dando unos resultados excelentes tal y como recoge la figura 102.

Fig. 102 Pruebas de impresión 3D. Iota/leche

Gelificación con zumos

Además de las gelatinas lácteas, un segundo punto de aplicación de la Iota es la

generación de gelatinas de bebidas. En este sentido, el siguiente trabajo de validación

estuvo centrado en la sustitución de los batidos por zumos de diferentes sabores.

Para ello, se partió de la concentración optimizada para los batidos y se llevó a cabo la

impresión, comenzando por zumo de manzana.

Fig. 103 Pruebas de impresión 3D. Iota/zumo de manzana





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Como se puede comprobar en las imágenes de la figura 103, la impresión se llevó a

cabo con éxito. Sin embargo, la estructura en capas 3D va desapareciendo, quedando

una estructura final tipo cúpula.

Buscando mejorar dicha situación, se procedió a experimentar con el aumento de la

concentración de Iota, siguiendo la metodología de control experimentada para el

batido de fresa.

De los resultados mostrados en la tabla 5 con el zumo de manzana se puede extraer

la conclusión que las propiedades de impresión, además de la dosificación de

gelificante, van a depender de manera drástica del tipo de alimento a imprimir,

cambiando con ello las características del producto final a conseguir.


Zumo

manzana

Incremento

concentración

IOTA

Textura en placa: Gotas viscosidad muy buena

Impresión: Análogo a lo ocurrido para concentración de control. Termina en estructura cúpula

Textura en placa: Gotas de viscosidad muy buena.

Impresión: Análogo a lo ocurrido para concentración de control. Termina en estructura cúpula. Además, el aumento de concentración hace que la gelificación sea mucho más rápida, llegando a solidificar en el cabezal al repetir los procesos de impresión.

Tabla. 5 Pruebas dosificación gelificante (Iota) para impresión 3D zumo manzana

Una segunda validación de la impresión de zumos fue realizada con naranja,

apareciendo los resultados recogidos en la tabla 6:





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Zumo naranja

Incremento

concentración

IOTA

Textura en placa: Gotas viscosidad muy buena

Impresión: Nuevamente, evolución del cubo a estructura tipo cúpula.

Textura en placa: Gotas de viscosidad muy buena.

Impresión: Análogo a lo ocurrido para concentración de control. Termina en estructura cúpula.

Tabla. 6 Pruebas impresión 3D Iota/zumo naranja

Por último, también se llevaron a cabo pruebas con zumo de arándanos. En este caso,

y ahondando en la dependencia de la impresión con las características intrínsecas del

alimento a imprimir, NO fue posible conseguir alguna textura óptima para impresión a

pesar de llegar a preparar mezclas de Iota/zumo muy elevadas. Las pruebas de

textura en placa NO daban un producto tipo gel y cualquier intento de cargar el

cabezal fueron infructuosos al ser totalmente líquida la mezcla y derramarse.

Fig. 104 Ejemplos de deposición en placa de Iota/zumo arándanos

Gelificación con refrescos

La realización de los trabajos de gelificación con refrescos se centró en los tres tipos

más comúnmente utilizados: naranja, limón y cola. Para ello se llevó a cabo el análisis

inicial de gelificación partiendo de la dosificación de Iota optimizada previamente.

Sin embargo, el empleo de dicha concentración NO dio resultados de gelificación

manteniéndose la mezcla en un estado líquido. Por este motivo, se realizó el aumento





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de concentración de Iota buscando aquella dosificación de compromiso que

proporcionara una textura gel para trabajar. En dicho estudio, el aumento en la

concentración de gelificante fue paulatino sin encontrar una dosificación de gelificación

mínima hasta llegar a valores muy elevados de Iota en refresco de limón. Sin

embargo, la impresión de dicha concentración NO soporta una estructura 3D mínima.

El incremento de concentración fue estudiado comprobando como en dichas

dosificaciones la estructura gel era análoga, sin llegar a producirse un gel sólido y cuya

impresión daba resultados análogos. Dichos resultados mostraban, al igual de lo

ocurrido con los zumos, unas estructuras en 3D donde las capas se difuminaban,

quedando las estructuras más parecidas a una cúpula que a un cubo.

Fig. 105 Ejemplos de impresión Iota/refresco limón

Los trabajos fueron reproducidos con refrescos de naranja y cola. En ambos casos, se

llevaron a cabo pruebas de dosificación muy elevadas de Iota, comprobando como a

mayor concentración se produce una gelificación excesiva que impide el proceso de

impresión, mientras que con concentraciones bajas no se produce la impresión. Los

mejores resultados obtenidos son recogidos en la figura 106.

Fig. 106 Ejemplos de impresión Iota/refrescos naranja y cola

Como se puede comprobar una vez más, las características de cada alimento

(refresco) marca la impresión, siendo el limón, un producto con mayor acidez, un

alimento que da peores resultados que la naranja y la cola.

Gelificación con bebidas alcohólicas

Para terminar con el empleo de Iota como producto gelificante se llevaron a cabo

experimentos con bebidas alcohólicas de diferente graduación, desde el vino, hasta

bebidas de mayor graduación como el ron, la ginebra o el whisky. En todos los casos





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se partió de la dosificación definida como óptima, buscando mejoras en la misma en

caso de ser necesario.

El primer trabajo realizado fue con vino. En este trabajo, la dosificación elegida dio

estructuras 3D con una consistencia justa, un poco peor de lo obtenido para los

lácteos. Buscando mejorar las texturas y posibilidades de impresión, se llevó a cabo

dichos trabajos con una dosificación un punto superior, obteniendo unos resultados

parejos, con una posible mejora en la consistencia del producto.

Fig. 107 Pruebas impresión 3D Iota/vino

Una vez analizado el vino, la segunda bebida analizada ha sido la cerveza. De esta

manera, se realizaron las pruebas de dosificación con las dos alternativas analizadas

para el vino, obteniendo unos resultados en cuanto a textura y geometría 3D análogos

en ambas dosificaciones y muy similares a los obtenidos previamente para vino y

zumos.

Fig. 108 Pruebas impresión 3D Iota (óptima)/cerveza

Fig. 109 Pruebas impresión 3D Iota/cerveza

Para finalizar con el empleo de bebidas alcohólicas se llevaron a cabo las pruebas de

validación con bebidas consideradas de alta graduación como ron, whisky y ginebra.

En los tres casos se mantuvo la metodología de trabajo basada en el empleo tanto de

la dosificación óptima como aquella con un ligero incremento en la carga de gelificante





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Fig. 110 Pruebas impresión 3D Iota (óptima)/Ron

Fig. 111 Pruebas impresión 3D Iota/Ron

Fig. 112 Pruebas impresión 3D Iota (óptima)/Whisky

Fig. 113 Pruebas impresión 3D Iota/Whisky

Fig. 114 Pruebas impresión 3D Iota/Ginebra

Los resultados obtenidos con estas bebidas de alta graduación muestran una

consistencia y mantenimiento de estructura 3D adecuadas para el empleo de las

mismas en impresión 3D con Iota, abriendo con ello potenciales alternativas de





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empleo en la generación de productos comestibles personalizados (por ejemplo, tipo

gominolas para cócteles).

Conclusiones

Los resultados conseguidos muestran la opción de poder desarrollar un “material” de

partida para su empleo en impresión 3D culinaria basado en un proceso de gelificación

de bebidas con IOTA, sabiendo que, dicho gelificante, se comporta de manera

diferente en función de las bebidas empleadas y que, por tanto, será necesario llevar a

cabo una formulación de la “tinta” a emplear.

Con todo ello, la posibilidad de impresión de diferentes tipos de geometrías podría

abrir un campo de trabajo para empresas del sector que vean en la impresión 3D una

nueva línea de negocio. Algunos ejemplos realizados con otras geometrías son las

mostradas a continuación.

Fig. 115 Impresión botellas con batido de vainilla/leche/batido de fresa

Fig. 116 Impresión mapa Asturias con batido de vainilla/leche/batido de fresa

Fig. 117 Impresión botellas con refrescos limón/naranja/cola





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Fig. 118 Impresión mapa Asturias con refrescos limón/naranja/cola

Fig. 119 Impresión botellas con vino y cerveza

Fig. 120 Impresión arañas con vino y cerveza

D.2.3.2.2 Gelificante 2: AGAR

La elección del segundo tipo de agente gelificante estuvo basada en aquel que

presentara una temperatura de gelificación baja. Por este motivo, el agar cumplía con

dichos requisitos (Tª gelificación: 43 ºC, gelatinas frías y calientes y potencialidad de

tener gelatinas con diferente rigidez en función de la concentración), siendo el elegido

para la realización de las pruebas de validación a pesar del riesgo a sinéresis ya

recogido en la bibliografía.

Para ello y de manera análoga a lo realizado para la Iota, se llevó a cabo la selección

de un alimento de control sobre el cual se realizaron las diferentes pruebas de

dosificación de agente gelante, partiendo de las recomendaciones que indicaba el

propio Adriá en la figura 96. En este caso, las pruebas iniciales de control fueron

realizadas con zumos, pasando luego a la realización de pruebas con el resto de

bebidas empleadas con Iota.





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Para los trabajos de gelificación con zumos, el primer paso estuvo nuevamente

centrado en la selección del zumo sobre el cual realizar el análisis de dosificación del

gelificante. Para ello, se seleccionó el zumo de manzana siendo el primer resultado

destacable la estructura de gelificación del agar. De esta manera y a diferencia de la

Iota, el producto solo presenta una tipología gel cuando alcanza prácticamente la

temperatura ambiente, pasando de líquido a gel en muy pocos segundos. Esta

situación implica que NO es posible el empleo de la mezcla zumo/agar hasta que se

encuentra gelificada por completo.

Los resultados de las pruebas de dosificaciones zumo de manzana/agar son

mostradas en la tabla 7.


Zumo

manzana

Incremento

concentración

Agar

Textura en recipiente: Apenas consistencia tipo gel.

Textura en placa: Gotas buena viscosidad

Impresión: Mala, no aguanta en estructura 3D.

Textura en recipiente: Gelatinosa una vez está a RT.

Textura en placa: Gotas de buena textura.

Impresión: Se carga la mezcla una vez gelificada. No aguanta la estructura 3D bien, llegando a desparramar con procesos de sinéresis

Textura en recipiente: Gelatina una vez está a RT.

Textura en placa: Gotas de buena textura.





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Impresión: Impresión en 3D. Sin embargo, se observa cierta pérdida de estructura tipo gel al imprimir (sinéresis).


Impresión: Se consigue impresión 3D. La impresión es parcialmente NO homogénea saliendo a borbotones debido a la sinéresis.


Impresión: Estructura en 3D conseguida con una mayor cantidad de impresión a borbotones. Comienza a costar imprimir por elevada densidad.


Impresión: Estructura en 3D conseguida a borbotones. Y con dificultad de reproducir la impresión por elevada densidad.

Tabla. 7 Pruebas dosificación gelificante (agar) para impresión 3D zumo manzana

De los resultados reflejados en la tabla 7 se pueden extraer como primeras

conclusiones que:





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El cambio de estado líquido-gel se lleva a cabo de manera rápida a

temperatura ambiente, siendo por tanto necesario tener la estructura gel para

poder ser empleada la mezcla en la impresión.

De las cantidades inicialmente testadas en la bibliografía para cocina

convencional, la dosificación de agar debe ser incrementada para conseguir un

gel imprimible y que dé una estructura 3D.

En este sentido, de las tres dosificaciones elevadas testadas, a medida que

aumenta la cantidad de agar se disminuye la impresión en continuo, siendo

esta realizada a borbotones debido a la aparición de fenómenos de sinéresis.

A partir de los resultados obtenidos con zumo de manzana y la dosificación de agar

correspondiente, se llevaron a cabo nuevas pruebas otra tipología de zumos, como

naranja y arándanos.

De esta manera, para el zumo de naranja se llevaron a cabo las verificaciones tanto

con la dosificación óptima, como concentraciones ligeramente superiores, buscando

replicabilidad de resultados.

Fig. 121 Pruebas de impresión 3D. Agar/zumo naranja: Izda. óptima. Dcha. superior

Nuevamente se comprueba como la mezcla con una dosificación elevada produce una

impresión más imperfecta al no ser en continuo debido a la mencionada sinéresis.

En cuanto al zumo de arándanos, en contraposición a lo ocurrido con la Iota, con Agar

en las concentraciones tipo SI gelifica a temperatura ambiente, pudiendo ser impreso

en 3D y, por tanto, mostrando nuevamente la elevada dependencia de la materia

prima empleada en las mezclas de gelificación.

Fig. 122 Pruebas de impresión 3D. Agar/zumo arándanos


El siguiente paso de análisis con agar fue llevado a cabo con productos lácteos. A

pesar de no ser reconocido el agar como un agente gelificante adecuado para dichos





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productos, las pruebas realizadas muestran unas impresiones en 3D con unas

características similares a las que presentan los zumos basadas en una salida del

alimento más a borbotones que en continuo debido a la aparición de los fenómenos de

sinéresis.

Los resultados obtenidos son mostrados en la tabla 8.


Leche Agar Textura en recipiente: Gelificación a temperatura ambiente.

Impresión: Se lleva a cabo con la mezcla en gel. Impresión parcialmente con borbotones (sinéresis). Estructura 3D pero con una consistencia peor que con Iota.

Batido de

chocolate

Agar Textura en recipiente: Gelificación a temperatura ambiente.

Impresión: Se lleva a cabo con la mezcla en gel. Estructura 3D producida con impresión con borbotones con peor consistencia que con Iota.

Tabla 8 Pruebas impresión 3D Agar/leche, batido chocolate

Como se puede ver en los resultados de impresión, el empleo de agar para productos

lácteos confirma en impresión 3D los mismos resultados que para cocina

convencional, su empleo produce peores gelificaciones que los conseguidos con la

Iota.


Siguiendo con la línea de trabajo realizada hasta la fecha, para las pruebas de

gelificación con refrescos se tomaron como óptimas las dosificaciones iniciales,

tomando el refresco de naranja como control. En este caso y de manera opuesta a lo

ocurrido con la Iota, la gelificación del refresco es excesiva, dando lugar a una mezcla

demasiado dura que no es posible imprimir, rompiendo la estructura gelatina

(sinéresis) y produciendo una impresión mala a borbotones que no da lugar a

estructura 3D alguna.





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Fig. 123 Pruebas impresión 3D Agar/refresco naranja (10g/l)

Estos resultados llevaron a un nuevo análisis de dosificación decreciendo, en este

caso, la cantidad de agar utilizado. Para ello, desde la cantidad óptima se fue

disminuyendo un gramo de dosificación paulatinamente, analizando la consistencia de

gelificación obtenida, así como las posibilidades de impresión.

De esta manera se pudo ver que la gelificación era siempre muy consistente y la

impresión presentaba las problemáticas de discontinuidad observadas previamente,

dando lugar a la pérdida de estructuras 3D tal y como refleja la figura 124.

Fig. 124 Pruebas impresión 3D Agar/refresco naranja diferentes dosificaciones

El cambio de bebida buscando mejoras tampoco dio resultado. De esta manera, se

eligió refresco de cola como alternativa, buscando una dosificación de interés. De

nuevo y tal y como ocurría con el refresco de naranja, para dosificaciones optimizadas

previamente, la dosificación se complicó al presentar una gelificación muy sólida que

imposibilitaba la impresión 3D.

La bajada de dosificación producía una gelatina más “imprimible” pero que, en la

realidad, al llevar a cabo el proceso de impresión se descomponía, rompiendo el gel y

no proporcionando estructuras en 3D.

Fig. 125 Pruebas impresión 3D Agar/refresco de cola





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El proceso de gelificación con bebidas alcohólicas fue comenzado con el vino,

tomando como punto de partida las dosificaciones de control iniciales, es decir, 10g/l.

En este caso y de manera opuesta a lo ocurrido con la Iota, la gelificación del vino es

nuevamente excesiva, dando lugar a una mezcla demasiado dura que no es posible

imprimir, rompiendo la estructura gelatina a través de un proceso de sinéresis y

produciendo una impresión mala a borbotones que no da lugar a estructura 3D alguna,

obstruyendo finalmente el cabezal. Para intentar conseguir una mejor dosificación, se

hicieron pruebas de gelificación e impresión con una disminución sucesiva de las

cantidades optimizadas, dando resultados en todos ellos de baja calidad.

Todas las pruebas realizadas muestran una problemática de fenómenos de sinéresis,

donde, a mayor concentración, se obstruía el cabezal y a menor concentración se

licuaba.

Fig. 126 Pruebas impresión 3D Agar/vino a diferentes concentraciones

Tras el vino, la siguiente bebida probada fue la cerveza. De manera análoga a lo

ocurrido con el vino, las dosificaciones probadas no dieron lugar a resultados positivos.

Para la dosificación de control la gelatina está excesivamente sólida, impidiendo su

paso por el cabezal. La bajada de dosificaciones produce nuevamente sinéresis y la

impresión a borbotones sin control alguno de la estructura 3D a producir.

Fig. 127 Pruebas impresión 3D Agar/cerveza

Para concluir la validación de las bebidas alcohólicas con agar, se probó con ron como

producto ejemplarizante de alta graduación. Los resultados obtenidos fueron los

mismos que con vino y cerveza, no siendo capaz de conseguir estructuras 3D óptimas

durante la impresión a pesar de testar diferentes dosificaciones.





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Fig. 128 Pruebas impresión 3D Agar/Ron

Conclusiones

Las principales conclusiones del empleo del agar como agente gelificante pueden

ser resumidas como:

Nuevamente, la bebida utilizada marca tanto la dosificación de gelificante a

emplear, como el resultado de impresión 3D conseguido.

Por tanto, se hace necesario desarrollar formulaciones a medida para llevar a

cabo futuros trabajos de I+D.

Con todo, es necesario mencionar que, aunque en diferentes niveles en función

de la bebida empleada, en todos los casos se ha producido el fenómeno de

sinéresis que lleva asociado una tipología de impresión a borbotones y, por

tanto, una pérdida de control en la estructura 3D a generar.

D.2.3.2.3 Gelificante 3: Elastic

La elección del tercer gelificante estuvo centrada en la obtención final de un producto

gelificado elástico que evitase, por tanto, la aparición de la sinéresis. Para ello se

buscaron mezclas de carragenatos donde, la goma garrofin, aparece como

complemento óptimo.

Entre este tipo de productos, el denominado Elastic se posicionaba como el primero en

ser probado. Para ello, el primer paso del trabajo a realizar se centró en el análisis de

dosificación a realizar pues este tipo de gelificante NO había sido empleado por Adriá

en el estudio tomado como punto de partida.

De esta manera, en la información proporcionada por el fabricante se indica que el

gelificante es óptimo para cualquier elaboración líquida y su dosificación variaría entre

25-50 g/Kg(l). Se trata de una dosificación de gelificante elevada, motivo por el cual se

planteó su optimización buscando reducir al máximo dicha cantidad, siendo los zumos

las bebidas empleadas para la validación inicial.


Los trabajos con zumos fueron comenzados con zumo de naranja. El primer punto

estuvo centrado en analizar el valor mínimo al cual se pudiera general una estructura

tipo gel. Así, partiendo del valor mínimo marcado por el fabricante (25g/Kg(l)) y

siguiendo la metodología de trabajo marcada como óptima para los procesos de

gelificación, se fueron probando mezclas de gelificación con menores concentraciones.





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En todos ellos, una vez enfriados a temperatura ambiente TODOS presentaban una

estructura tipo gel, con diferente textura, pero gel.

Una vez comprobada la capacidad de gelificación de las mezclas, el siguiente pasó

consistió en comprobar el comportamiento de dichos geles en la impresión 3D. Se

comenzaron las pruebas partiendo de un valor intermedio de los testados en la

gelificación para, a partir de sus resultados, analizar el aumento o descenso del

mismo. Como se puede comprobar en la figura 129, los resultados de impresión NO

son positivos al no presentar una consistencia mínima el gel. Dicha situación se

mantiene incluso aumentando la cantidad de dosificación.

Fig. 129 Pruebas impresión 3D Elastic /zumo naranja a diferentes concentraciones

Con estos resultados se pudo observar que a pesar de la gelificación conseguida con

dosificaciones inferiores a las marcadas por el fabricante, estas NO son óptimas para

su empleo en impresión 3D.

El siguiente paso de trabajo se centró, por tanto, en el análisis de dosificaciones dentro

del rango definido por el fabricante. En estos trabajos se comprueba que, a medida

que se incrementa la dosificación la consistencia de estructura 3D va en aumento. Sin

embargo, dicho aumento de estructura tipo gel también lleva asociado un incremento

en la dificultad de dosificación, apareciendo procesos de impresión a borbotones y, por

tanto, de ligera sinéresis.

Fig. 130 Pruebas impresión 3D Elastic /zumo naranja con incremento de concentración

Fig. 131 Pruebas impresión 3D Elastic/zumo naranja. Diseños varios





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Para complementar el trabajo con zumos, se llevaron a cabo las pruebas de impresión

con zumo de manzana. Para ello, se parte de la dosificación optimizada para el zumo

de naranja y se analizan dosificaciones superiores e inferiores.

Fig. 132 Pruebas impresión 3D Elastic/zumo manzana

Las pruebas realizadas muestran una tendencia a la pérdida de estructura 3D en favor

de una especie de cúpula, situación comprobada con todos los gelificantes para este

tipo de bebida.

En cuanto a las dosificaciones, aquellas inferiores dieron peores resultados, mientras

que su incremento producía una leve mejoría en la estructura, situación que se

comprobada mejor en estructuras como la botella.

El empleo de elastic como gelificante para zumos no responde de manera general a

los resultados esperados al producir un proceso de impresión en el cual a) se pierden

las estructuras 3D o; b) se produce una impresión no continuada con estructuras

gelificadas más sólidas, produciendo una salida a borbotones y, por tanto, una pérdida

de control sobre la estructura 3D.

Fig. 133 Pruebas impresión 3D Elastic/zumo manzana. Diseños botella


El siguiente tipo de bebida a analizar fueron los batidos lácteos. De esta manera, las

pruebas iniciales fueron realizadas con batido de fresa partiendo de la dosificación

optimizada y, nuevamente, comprobando su comportamiento con dosificaciones

superiores e inferiores.

De esta manera, nuevamente el disminuir dosificaciones conllevaba una pérdida clara

de estructura 3D al imprimir. Por el contrario, el incremento no suponía en este caso

ventaja alguna en el proceso de impresión.





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Fig. 134 Pruebas impresión 3D Elastic/batido de fresa inferiores a control.

Fig. 135 Pruebas impresión 3D Elastic/batido de fresa concentración de control y

superior

El segundo producto lácteo analizado fue el batido de chocolate siguiendo el mismo

protocolo de actuación, es decir, tomar la dosificación optimizada y compararla con

dosificaciones por encima y debajo de la misma.

De manera general cabe decir que la impresión con el batido de chocolate produce

peores resultados que los obtenidos para la fresa, dando lugar a una impresión 3D

menos limpia y más amontonada. Particularizando, con las pruebas realizadas

nuevamente se comprueba como los mejores resultados han sido conseguidos con la

dosificación optimizada previamente, sin conseguir mejores con las otras probadas.

Fig. 136 Pruebas impresión 3D Elastic/batido de chocolate

El intento por imprimir figuras 3D más complejas resulto insatisfactorio, siendo un

ejemplo el diseño de botella realizado en experimentos previos.

Fig. 137 Pruebas impresión 3D Elastic/batido de chocolate





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Con todo, el empleo de Elastic en la impresión de lácteos no responde a las demandas

buscadas, produciendo procesos de impresión con borbotones (no contínuo) para las

estructuras gelificadas que permiten su impresión.


Las pruebas con refrescos se iniciaron con un refresco de cola, siguiendo con el

protocolo de pruebas con dosificación optimizada, superior e inferior.

Las pruebas realizadas muestran un producto con una muy buena estructura gel a la

hora de inicial la impresión 3D pero que, una vez impreso, no es capaz de mantener

dicha estructura tridimensional, tendiendo a formar una cúpula.

En cuanto a la dosificación, aquella optimizada inicialmente siguió proporcionando los

mejores resultados.

Fig. 138 Pruebas impresión 3D Elastic/refresco de cola

El segundo refresco analizado ha sido de naranja. Nuevamente se ha partido de una

dosificación de control y nuevamente los resultados proporcionan una evolución de la

estructura 3D a un tipo “campana”. El aumento de dosificación no mejora la tipología

de impresión 3D, proporcionando problemas de impresión en la consistencia del gel

para concentraciones elevadas.

Fig. 139 Pruebas impresión 3D Elastic/refresco de naranja control y superior

Los refrescos presentan una buena impresión en contínuo. Sin embargo, muestran

una tendencia a la pérdida de estructura 3D, pasando a disponerse en estructuras tipo

“cúpula”, donde el volumen se mantiene, pero se pierden las formas tridimensionales.


Las primeras pruebas de impresión con bebidas alcohólicas fueron llevadas a cabo

con wisky con la dosificación de control. Los resultados obtenidos resultaron análogos

a los mostrados para los refrescos: una buena impresión en contínuo (sin borbotones)





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pero, con una pérdida de la estructura 3D de lo impreso. Por este motivo, se testaron

pruebas de impresión con una dosificación superior:

Fig. 140 Pruebas impresión 3D Elastic/wisky control y superior.

Sin embargo, en la impresión de figuras con un diseño más complejo donde la

estructura 3D viene marcada por un volumen, la dosificación mostró un

comportamiento óptimo para su aplicación en impresión 3D tal y como recoge la figura

141

Fig. 141 Figuras impresión 3D Elastic/wisky

La siguiente bebida de alta graduación alcohólica probada fue el ron. Para ello, se

probó directamente con la dosificación optimizada comprobando unos resultados

análogos a los conseguidos para el wisky.

Fig. 142 Figuras impresión 3D Elastic/ron

La última validación con bebidas de alta graduación fue realizada con ginebra y la

dosificación optimizada. Los resultados obtenidos fueron análogos a los obtenidos con

wisky y ron como muestra la figura 143.

Fig. 143 Figuras impresión 3D Elastic/ginebra





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Además de las bebidas de alta graduación también se llevó a cabo la validación con

bebidas de menor graduación como vino y cerveza. El trabajo se inició con la

dosificación optimizada. Sin embargo, esta dosificación resultó demasiado elevada,

produciendo inicialmente una impresión solo con borbotones para, posteriormente,

obturar la impresora, siendo necesario detener la impresión. Por este motivo, fue

necesaria la evaluación de dosificaciones menores, con una disminución gradual de la

concentración. En todos los casos, la situación fue análoga, produciéndose una

impresión a borbotones, dando lugar a procesos de sinéresis y evitando la formación

de estructuras 3D.

Fig. 144 Pruebas impresión 3D Elastic/vino a diferentes dosificaciones

Conclusiones

El empleo de Elastic como agente gelificante presentó como principales conclusiones:

Como en todos los casos, la gelificación y los procesos de impresión presenta

una total dependencia de la bebida empleada.

Por tanto, los trabajos de formulación serán necesarios para el empleo de

“tintas” basados en este agente gelificante

De todas maneras, la estructura elástica de la gelatina generada sí proporciona

a los productos impresos unas propiedades análogas en cuanto a la pérdida de

capas en la impresión 3D y la producción de estructuras en continuo tipo

“cúpulas”.

A pesar de ello, esta situación no inhabilita su empleo en impresión 3D pues,

como quedó reflejado, es posible llevar a cabo procesos de impresión de

figuras 3D potencialmente utilizables en golosinas.

D.2.3.2.4 Gelificante 4: Gelatina vegetal

En la búsqueda de un producto gelificado elástico, se seleccionó como cuarto

gelificante una nueva mezcla de carragenatos y goma garrofin vegetales en un

producto denominado gelatina vegetal.

De manera análoga a lo ocurrido con el producto denominado Elastic, este producto

no aparece en el análisis de dosificación llevado a cabo por Adriá y, por tanto, se hacía

necesario llevar a cabo el primer análisis de dosificación.

De esta manera, en la información proporcionada por el fabricante indica que el

gelificante es óptimo para productos cuanto mayor cantidad líquida mejor y con





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dosificaciones a partir de-50 g/Kg(l). Esta dosificación suponía un nuevo salto en la

cuantía de aditivo a las bebidas y, por tanto, un potencial hándicap para su empleo.

Por este motivo, nuevamente se llevó a cabo un análisis inicial de dosificación,

buscando disminuir la cantidad empleada, siendo el zumo de manzana la bebida

seleccionada para el análisis.

De esta manera, se probaron dosificaciones donde, partiendo de la dosificación inicial

marcada por el fabricante (50 g/l), se pudiera descender a concentraciones de menor

gastos de material.

Las pruebas de gelificación fueron correctas produciéndose una gelificación en todas

las dosificaciones realizadas.

Una vez comprobada la posibilidad de gelificación se llevó a cabo el análisis de

impresión de las mezclas conseguidas. En este sentido, TODAS las pruebas

realizadas dieron los mismos resultados: sinéresis e impresión a borbotones con

pérdida de estructuras 3D.

Fig. 145 Pruebas impresión 3D gelatina/zumo manzana a diferentes dosificaciones

La problemática observada marcó la dificultad de uso del gelificante donde, por la

experiencia previa con el agar, difícilmente se podría esperar una mejora con el

cambio de bebida empleada.

Este planteamiento se vio reafirmado con el empleo de bebidas de diferente

naturaleza donde, ni con refrescos (naranja), batidos (vainilla) o bebidas alcohólicas

(ginebra) se consiguió impresiones 3D óptimas a pesar de las variaciones de

dosificación.

Fig. 146 Pruebas impresión 3D gelatina/refresco naranja a diferentes concentraciones





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Fig. 147 Pruebas impresión 3D gelatina/batido vainilla a diferentes concentraciones

Conclusiones

Elevada dificultad de empleo en la impresión 3D debido a su tendencia a la

sinéresis y la pérdida, por tanto, de toda estructura 3D y la generación

nuevamente de líquido.

Por tanto, necesidad de un elevado trabajo en formulación de materias primas

a emplear como “tinta”.

D.2.3.2.5 Gelificante 4: Pectina

Los últimos trabajos realizados en procesos de gelificación fueron realizados con

pectina. La pectina es un polisacárido natural, uno de los constituyentes mayoritarios

de las paredes de las células vegetales, y se obtiene a partir de los restos de la

industria de fabricación de zumos de naranja y limón y de los de la fabricación de la

sidra. De manera general, forman geles en medio ácido en presencia de cantidades

grandes de azúcar, situación que se produce en las mermeladas, una de sus

aplicaciones fundamentales. Además de en mermeladas y en otras conservas

vegetales, se utiliza en repostería y en la fabricación de derivados de zumos de fruta.

Su empleo de manera artificial en agentes gelificantes se presenta en dos variedades

principales en función del co-agente acelerador de su activación: a) ácido + azúcar; b)

solo azúcar (acid free).

Por funcionalidad, para los trabajos realizados se utilizó este último producto

denominado Pectina acid free que presenta en su versión comercial como dosificación

óptima una holgura entre 6g/kg y 30g/kg en función de la textura del producto final a

obtener (desde flan hasta paté).

Por este motivo, nuevamente el primer trabajo debería estar centrado en la obtención

de una dosificación óptima para los trabajos de impresión 3D y, para ello, la elección

de la bebida a emplear resultaba básica. Además, y buscando facilitar los trabajos de

generación de gel, se intentó inicialmente evitar la adición de azúcares, de tal manera

que, solamente la mezcla bebida-pectina produjera el final buscado.

Con este planteamiento inicial, de manera lógica se debía buscar bebidas que tuvieran

un alto contenido en azúcares ya en su composición, haciendo con ello que el

resultado se acercara a los parámetros marcados por el fabricante. En este sentido,

nada más intuitivo para ello que los refrescos de cola.





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De esta manera se llevaron a cabo las pruebas de dosificación con un refresco de cola

partiendo del mínimo marcado por el fabricante (6g/kg) y aumentando dosificaciones

hasta optimización.

Los resultados conseguidos mostraban una gelificación con todas las dosificaciones

probadas, punto de partida idóneo para las pruebas de impresión 3D. Sin embargo, la

aplicación de la tecnología de impresión 3D limitó el uso de las dosificaciones

inferiores haciendo que, los mejores resultados obtenidos fueran con la dosificación de

intermedia de pectina por cada litro (se hizo la equivalencia directa por facilidad de

medida) de refresco de cola,. Los intentos por mejorar las estructuras 3D con

dosificaciones superiores fueron negativos, generando atascos en el equipo de

impresión y cierta sinéresis.

Fig. 148 Pruebas impresión 3D pectina/refresco cola a diferentes concentraciones

Los resultados obtenidos con la dosificación de control conseguida permiten obtener

una consistencia óptima para la realización de diferentes figuras geométricas sin

necesidad de activar la pectina con azúcar añadido, abriendo nuevas posibilidades de

empleo en el sector, por ejemplo, de las golosinas.

Fig. 149 Figuras impresión 3D pectina/refresco cola

Una vez analizado un refresco, un segundo nivel de pruebas consistió en probar

zumos que presentaran, nuevamente, una elevada cantidad de azúcar. De esta

manera, el zumo de melocotón/uva presentaba dichas características. Las pruebas de

gelificación fueron llevadas a cabo con las dos dosificaciones que mejores resultados

habían producido para el refresco de cola. En todos los casos, la textura obtenida era

más similar a un puré denso que a una gelatina al uso y las pruebas de impresión

fueron análogas.





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Fig. 150 Pruebas impresión 3D pectina/zumo melocotón-uva diferentes

concentraciones

Por replicabilidad con los resultados con cola, se llevaron a cabo impresiones de

diferentes figuras 3D mostrando la valía de la pectina para su empleo con zumos

de frutas.

Fig. 151 Figuras impresión 3D pectina/zumo melocotón-uva

La tercera bebida probada, por su alto contenido en azúcares, eran los batidos lácteos,

siendo el batido de chocolate el seleccionado. Las pruebas de validación fueron

realizadas con la dosificación de control, analizando lo ocurrido por encima y por

debajo de la misma. Los resultaron mostraron que con batido se obtenían unos

productos con una estructura 3D con capas más marcadas que las bebidas previas y

donde, para la dosificación en concentraciones elevadas, la impresión comenzaba

nuevamente de manera correcta, variando a impresión a borbotones y fenómeno de

sinéresis durante el proceso.

Los mejores resultados obtenidos fueron con la dosificación optimizada, siendo

observado, no obstante, una ligera pérdida de calidad de las figuras impresas en

comparación con las pruebas previas realizadas.

Fig. 152 Figuras impresión 3D pectina/batido chocolate

Para la realización de las últimas pruebas con bebidas se pensó en las bebidas

alcohólicas. Para ello, y de manera análoga a lo ocurrido con el resto, era necesario

localizar bebidas con un alto contenido en azúcar. Sin embargo, la presencia de





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azúcares en bebidas alcohólicas está limitado a casos excepcionales tipo anís o las

cremas de licores de alta graduación. Es decir, bebidas no genéricas y que, por tanto,

poco podrían aportar a la generación de nuevas líneas de mercado.

A pesar de ello, se analizó la impresión con anís, empleando para ello la dosificación

optimizada previamente. Las diferentes pruebas realizadas mostraron una impresión a

borbotones.

Fig. 153 Pruebas impresión 3D pectina/anís

Como complemento a estos resultados y buscando comprobar la validez de la

propuesta en cuanto al empleo de bebidas alcohólicas, se llevaron a cabo pruebas de

impresión con ron en la dosificación optimizada previamente, a pesar de saber que NO

presentaba el azúcar necesario para su funcionamiento. Tanto para esta dosificación,

como para aquellas superiores e incluso inferiores, la impresión no fue homogénea,

dando lugar a borbotones y a un claro efecto de sinéresis.

Fig. 154 Pruebas impresión 3D pectina/ron

Conclusiones

Los experimentos realizados con pectina han mostrado la posibilidad de llevar

a cabo la gelificación de diferentes bebidas y su empleo en impresión 3D sin

necesidad de utilizar agentes activadores añadidos como el azúcar.

El empleo de bebidas que ya presenten azucares en su composición dan lugar

a procesos de impresión de buena calidad.

De todos ellos, solamente las bebidas alcohólicas mostraron una dificultad en

su empleo.

D.2.3.3 Comidas divertidas

La aplicación del concepto de “comidas divertidas” aplicado a la impresión 3D está

basado en las posibilidades que presenta la libertad de diseño en los productos finales





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(comida) en el empleo de alimentos históricamente poco apetecibles para un

segmento de la población, como purés de verduras, frutas, etc.

De esta manera, se pretende generar figuras que resulten, por diferentes motivos,

atractivas para el consumidor, haciendo que de manera indirecta sean apetecibles los

mencionados alimentos.

Para ello, los trabajos realizados dentro del proyecto han estado focalizados en el

empleo de diferentes purés, mostrando su potencial aplicación en comidas para, por

ejemplos, niños, núcleo poblacional con una predisposición escasa a su consumo.

Para ello, el primer paso a realizar estuvo basado en el análisis de la composición de

dichos purés pues, en la mayoría de los casos, dichos purés ya presentan en la misma

la incorporación de espesantes de diferente naturaleza.

En primer lugar, se llevaron a cabo pruebas de impresión 3D con un puré de verduras

variadas, el cual presentaba en su composición almidón como espesante.

Los resultados obtenidos fueron buenos, consiguiendo figuras de elevado interés de

empleo.

Fig. 155 Figuras impresión 3D puré de verduras

En la misma línea, se analizó el empleo en impresión 3D de otro tipo de purés

vegetales, en este caso, el elegido fue un puré de calabaza. En este caso y a pesar de

presentar en su composición espesantes, su textura no resultó óptima para impresión,

NO siendo posible su empleo en impresión 3D. Por este motivo, se planteó la adición

de alguno de los gelificantes testados previamente, que pudieran dar lugar a las

figuras buscadas.

En este sentido, las investigaciones2 en pectina muestran cómo su empleo puede

favorecer a nuestra salud en dos ámbitos principales:

2 a) Sanchez, D.; Muguerza, B.; Moulay, L.; Hernández, R.; Miguel, M.; Aleixandre, A. “Highly Metroxylated pectin improves insulin resistance and other cardiometabolic risk factors in zucker fatty rats”. J. Agric. Food Chem. 2008, 56, 3574-3581. b) Mamani, P.L..; Ruiz; Ruiz, R.; Veiga,





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Captación por el aparato digestivo de la glucosa procedente de la dieta sea

más lenta, con lo que el ascenso de su concentración sanguínea es menos

acusado después de una comida. Esto es claramente favorable para los

diabéticos, especialmente para aquellos que no son dependientes de la

insulina.

Reducción de la concentración de colesterol en la sangre.

Ante esta situación se planteó la posibilidad de añadir pectina al puré buscando que,

además de conseguir las “comidas divertidas”, se pudiera dar un valor añadido a dicha

comida a nivel de aporte saludable.

Para ello se llevó a cabo un análisis de impresión empleando la dosificación óptima de

impresión, dando lugar a las figuras buscadas y, con ello, aumentando sus

posibilidades de consumo.

Fig. 156 Figuras impresión 3D pectina/puré calabaza

Conclusiones

Se han llevado a cabo pruebas de impresión 3D con purés comerciales de

verdura que llevan en su composición espesantes, mostrando la viabilidad de

empleo.

Además, para aquellos casos en los que la formulación de los purés no

presente una textura óptima para la impresión 3D, se ha demostrado la

posibilidad de empleo de pectina como agente adicional que permite llevar a

cabo la obtención de las figuras deseadas con éxito.

Con ambas situaciones se abre la puerta a la generación de nuevas

formulaciones de purés donde como agente espesante/gelificante se emplee

sólo pectina, de tal manera que, además de “comidas divertidas”, se puedan

llegar a obtener comidas más saludables gracias a las propiedades que aporta

la propia pectina.

M.D. “Pectina: Usos Farmacéuticos y aplicaciones terapéuticas. Anales de la real academia nacional de farmacia, 2012, vol78, Nº1.





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D.2.4 Conclusiones.

Las características y propiedades de los alimentos a emplear como “tinta” en

los procesos de impresión marcar, de manera notable, tanto la metodología a

emplear, como los desarrollos asociados y los resultados conseguidos.

De esta manera, en función de dicho alimento, será siempre necesario

establecer un primer paso de definición de requerimientos y posibilidades

donde se analice los futuros desarrollos a realizar.

Por este motivo, la aplicación de la impresión 3D en el ámbito de la

alimentación deberá venir enlazado con su aplicación: tendrá sentido siempre

que el concepto de PERSONALIZACIÓN tenga un papel preponderante, de tal

manera que llegue tanto al producto final impreso, como a la tinta generada e,

incluso, al lugar de aplicación.

De manera más concreta se ha comprobado cómo es posible la impresión de

productos con viscosidades óptimas donde, puedan ser impresos, pero

además presenten la textura suficiente para su diseño tridimensional.

Un ejemplo de ello han sido los trabajos con chocolate, comprobando las

grandes diferencias entre las marcas encontradas y las opciones en cuanto a

tecnologías de impresión. Gracias a dichos trabajos se ha establecido un

modelo de negocio potencial pendiente de transferencia a empresas del sector

interesadas.

En la misma línea se analizaron las posibilidades de texturización de diferentes

tipos de bebidos comprobando que, cada una de ellas, puede responder de

manera totalmente diferente al mismo tipo de texturizante, así como a las

concentraciones de los mismos.

Por tanto y para concluir, gracias al trabajo realizado se ha podido comprobar

como la aplicación de tecnologías de impresión 3D en alimentos necesita

de una formulación a medida de cada materia prima a imprimir (“tinta”), a

partir de la cual y en función de sus propiedades, se podrá llevar a cabo

el desarrollo de un equipo personalizado de impresión 3D para la

aplicación final buscada.

D.3 INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DE FABRICACIÓN ADITIVA PARA LA INDUSTRIA FARMACEÚTICA

D.3.1 Introducción

La investigación y desarrollo de herramientas de fabricación aditiva para la industria

farmacéutica estaba estructurada en una línea secuencia de trabajos donde, a partir





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de la tarea inicial centrada en la definición de requerimientos, donde se analizaron las

potenciales aplicaciones principales de la impresión 3D en el sector farma y que fue

justificada durante la anualidad 2016, sería necesario llevar a cabo los trabajos de

diseño, ingeniería y validación correspondientes.

Así, gracias a los trabajos justificados en 2016 se pudo comprobar como la fabricación

convencional de medicamentos lleva a disponer de una variedad de dosificaciones de

cada medicamento muy limitada (2-3 opciones máximo), situación que conlleva un

programa general importante: la población está mal dosificada en un porcentaje

demasiado elevado.

Por este motivo, durante la presente anualidad se pretendían abordar actividades de

diseño e ingeniería que llevaran a PRODINTEC a iniciar una línea de trabajo

encaminada a ahondar en la búsqueda de nuevas formulaciones de medicamentos (o

solamente principios activos –APIs-) que permitieran proporcionar una alternativa de

dosificación.

Estos trabajos se han centrado en la búsqueda de cabezales y equipos auxiliares

(diseño e ingeniería) que pudieran ser empleados en las pruebas de validación de

impresión. A continuación se presenta un resumen de los resultados obtenidos.

D.3.2 Diseño conceptual de cabezales y elementos auxiliares

A partir de los requerimientos recogidos en la anterior anualidad, durante 2017 se

llevaron a cabo los trabajos técnicos propiamente dichos, buscando ahondar en

trabajos de ingeniería de personalización de equipos capaces de ser empleados con

“tintas” novedosas que contengan principios activos embebidos.

D.3.2.1 Tecnología FDM

La tecnología de FDM se basa en el empleo de un filamento plástico el cual, al pasar

por un cabezal calefactado es fundido y depositado según el diseño creado, momento

en el que se enfría y construye la estructura 3D. Sin embargo, la oferta de materiales

filamentados como punto de partida no es muy amplia, sobre todo, cuando se buscan

nuevos desarrollos para aplicaciones concretas y específicas.

De esta manera, el formato industrial más habitual de los mismos es en granza, polvo

o pellets, al ser este tipo de formatos el más habitual para la industria de la inyección

del plástico. Por ello, para poder trabajar con estos polímeros es necesario llevar a

cabo un proceso de filamentación de los mismos. Para ello, el primer acercamiento se

centra en el empleo de cabezales comerciales de tipo FDM convencional, los cuales

pueden generar el filamento a través del control de velocidades y parámetros de

temperatura y enfriamiento. Este proceso, conocido y testado, presenta sin embargo

diferentes inconvenientes derivados de os procesos de filamentación propiamente

dichos ya que, para muchos materiales, es casi imposible conseguir un filamento con

un diámetro constante, situación básica para su posterior empleo por FDM.





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Ante dicha situación, una alternativa es el diseño y desarrollo de un cabezal de

filamentación directa/FDM el cual, a medida que vaya filamentando el material de

partida, lo vaya fundiendo y generando la estructura 3D.

El desarrollo de un cabezal de esta naturaleza conlleva una etapa de estudio teórico,

cálculo, diseño, y validación extensa tal y como queda reflejado a lo largo de la

presente memoria, siendo el punto de partida del diseño el recogido a continuación:

Fig. 157 Diseño conceptual del cabezal de FDM por filamentación directa

D.3.2.2 Tecnología extrusión hidrogeles

Como alternativa a los trabajos de FDM, desde PRODINTEC se plantea la opción

basaba en la impresión a través de tecnologías de extrusión con fluidos de tipología

hidrogel.

Los cabezales para alimentación utilizan los principios de extrusión por émbolo. Una

pieza redonda (émbolo), alojado en una camisa rellena del material a imprimir (cilindro)

tienen un movimiento relativo entre ellos, de modo que cuando el émbolo desciende,

fuerza al fluido hacia la salida inferior del cilindro donde se coloca la punta

dosificadora. El concepto es análogo a los cabezales desarrollados en este proyecto

que utilizan jeringas desechables, teniendo básicamente una diferencia de tamaño.

Por lo general, para el sector alimentario no se plantea la utilización de materiales

desechables, siendo por lo tanto lo más habitual realizar diseños en materiales

duraderos aptos para el sector alimentario y fácilmente lavables. Por tanto, como

puntos de partida se plantea el empleo de los cabezales desarrollados dentro del

campo de la bioimpresión y cuyo ejemplo aparece recogido a continuación.





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Fig. 158 Diseño conceptuales de deposición fluidos

D.3.2.3 Reactores de reacción (reaction ware)

Además, y de manera complementaria a los trabajos de impresión de medicamentos

propiamente dicha, los trabajos de análisis de situación realizados mostraron una

nueva alternativa de actuación en la investigación química con aplicaciones

farmacológicas. De esta manera, la generación de reactores de reacción (reaction

ware) a medida que puedan ser diseñados y fabricados por impresión 3D permitirían

diseñar procesos de fabricación de medicamentos de manera alternativa a los

tradicionales, puesto que se permitiría llevar a cabo de forma fácil y minimizando

errores determinadas síntesis de medicamentos in situ, abriendo el campo a opciones

actualmente no disponibles, como son la generación de medicamentos a partir de

reactivos que permitan una mayor conservación, o quizá un ajuste de dosis o

características a partir de los elementos de reacción y síntesis.

En este sentido, desde PRODINTEC se ha querido iniciar los trabajos en este campo

diseñando un primer prototipo que pudiera ser evaluado con investigadores químicos

para su uso. Conceptualmente se plantea un reactor multietapa en que cada etapa

corresponde a un espacio en la caja, y mediante un diseño adecuado, variando la

posición del reactor, el fluido vaya desplazándose entre los diferentes espacios. Se

muestra a continuación un esquema conceptual de un reactor de este tipo.

Fig. 159 Reaction Ware Conceptual





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D.3.3 Ingeniería de detalle

A partir de los trabajos de diseño conceptual realizados se llevó a cabo el trabajo de

ingeniería de detalle necesario e imprescindible para poder disponer de los planos de

fabricación de los diferentes cabezales y elementos para las pruebas de fabricación de

medicamentos: el cabezal de filamentación directa, el cabezal para extrusión de

hidrogeles y el reaction ware.

D.3.3.1 Cabezal filamentación directa

Una vez definido conceptualmente se pasa a la fase de ingeniería de detalle,

definiendo los elementos fundamentales:

Cuerpo estructural del cabezal: Es el conjunto de piezas cuya función es la

servir de alojamiento y soporte del resto de elementos, así como de fijación a la

máquina. Incluye también la tolva de almacenamiento de los pellets.

Conjunto motor y husillo de inyección. Tiene como objetivo empujar los pellets

hacia el cabezal de fusión y extrusión. Está formado por un motor paso a paso

con reductora mecánica para aumentar el par disponible, un acoplamiento

flexible destinado a unir motor y husillo y el propio husillo.

Conjunto de fusión y extrusión. Está formado por varias piezas orientadas a

realizar el calentamiento y fusión del material y conformarlo de manera segura.

Tiene entre otros elementos un cuerpo de fusión calentado por unas

resistencias eléctricas, un cuerpo de refrigeración para evitar que el calor suba

hacia la parte superior del cabezal y una punta intercambiable con un orificio

calibrado para dar forma al material de salida.





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Fig. 160 Estructuración componentes cabezal

El funcionamiento conceptual del cabezal es el siguiente. Los pellets se depositan en

el depósito lateral (pieza verde). Estos están en contacto con los filetes del husillo, el

cual, al girar, los va impulsando hacia la parte inferior del cabezal hasta llegar al fusor,

la pieza verde inferior. Este fusor, en virtud del calentamiento producido por las

resistencias eléctricas, tiene una elevada temperatura, haciendo que se funda el

material plástico, el cual adquiere un estado fluido y puede atravesar la boquilla del

extrusor, conformándose el material de acuerdo al diámetro de la punta instalada. Un

ejemplo del diseño realizado aparece recogido en la siguiente figura.

Fig. 161 Vista general cabezal pellets





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Fig. 162 Vista Fusor, boquilla del extrusor y resistencias

La parte térmica es uno de los puntos más complejos, siendo por ello necesario un

análisis térmico del sistema. De esta manera y dada las altas temperaturas alcanzadas

para la fusión de los polímeros (en torno a 200 ºC), se hace necesario utilizar

materiales metálicos. La parte negativa es la elevada transmisión de calor que se

produce en estos materiales, elevando la temperatura en la parte superior del cabezal,

pudiendo con ello causar problemas de fusión del material antes de lo requerido. Por

ello, desde la primera fase de diseño se realizaron simulaciones mediante elementos

finitos para evaluar la potencia necesaria en los elementos calefactores, así como la

disipación necesaria en la parte superior.

A continuación, se muestra una imagen del mallado de los elementos estudiados.

Fig. 163 Mallado de los elementos

Las condiciones de contorno definidas han sido las siguientes:

Fluido de refrigeración: aire.

Temperatura: 25ºC.

Flujo másico de refrigeración: 0.00314 kg/s.





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Temperatura del fusor: 210 ºC.

Fig. 164 Temperaturas iniciales en condiciones de contorno

Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Fig. 165 Velocidades del fluido





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Fig. 166 Temperatura del fluido

Fig. 167 Temperatura del fluido





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Fig. 168 Temperatura del fusor

Fig. 169 Temperatura del inyector y fluido

Como se puede comprobar en las imágenes que las temperaturas previas, el fusor

metálico no pasa de los 140 ºC permitiendo así operar con seguridad.

De este modo se pudo validar el diseño y dimensionar los ventiladores a incorporar,

permitiendo garantizar previamente la viabilidad y seguridad del diseño.





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Otro de los puntos del diseño es la selección y diseño del husillo de extrusión. En el

diseño se deben ajustar los siguientes parámetros:

Ángulo del filete.

Sección interna.

Longitud.

Tras calcular y evaluar estos parámetros, se observa que dependen del tipo de

polímero a extruir, y que es necesario realizar un diseño de husillo para cada uno de

ellos. Estos diseños implican una elevada complejidad pues la sección interna del

husillo es variable, es decir, ésta aumenta y disminuye a lo largo del mismo para

eliminar el aire del polímero fundido. Como consecuencia del diseño, la construcción

es compleja y costosa sumando los costes de materiales que también son altos.

Finalmente, se debe tener en cuenta que el campo de estudio de esta tecnología

proviene de la inyección de plásticos y no es directamente aplicable, pues los husillos

y volúmenes de trabajo son de decenas de órdenes de magnitud mayores. Los costes

de adoptar esta solución son excesivos para el alcance del presente proyecto, por lo

que se trata de adoptar la solución óptima incluyendo el factor económico del husillo.

Tras una evaluación de las diferentes opciones y descartando los husillos comerciales

por su tamaño, se decide utilizar a tal efecto una broca de madera comercial, la cual

presenta como características:

No cumple el requisito de paso variable.

El ángulo del filete es el adecuado.

La longitud es la deseada.

En base al husillo elegido se selecciona el motor para realizar el empuje (Fig. 170

Motor con reductora), que incluye una reductora acoplada para garantizar el máximo

par de empuje.

Fig. 170 Motor con reductora

Además del campo mecánico, el diseño de un nuevo cabezal de extrusión requiere a

su vez del diseño de una electrónica de control que alimente los elementos eléctricos,

realice lecturas de los sensores y genere las señales de control para que el cabezal

cumpla su función según especificaciones.





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De esta manera, el funcionamiento del cabezal se puede reducir a dos funciones:

calentar el material hasta conseguir una temperatura determinada, y realizar el empuje

del mismo. Por esta razón, el cabezal cuenta con los siguientes elementos:

Motor paso a paso para realizar el empuje del material.

Resistencia calentadora para fundir el material.

Sensor de temperatura para controlar la temperatura de fusión.

En base a ello, la electrónica de control se debe estructurar como se especifica en la

Fig. 171 Diagrama de bloques de la electrónica de control.

Fig. 171 Diagrama de bloques de la electrónica de control

A partir del diagrama de bloques se definen unas especificaciones generales para

cada una de sus partes. De esta manera, las especificaciones para el control del motor

son:

Control de motor paso a paso bipolar de dos fases.

Corriente de salida de 2 A.

Tensión de alimentación de entre 8 y 24 V.

En cuanto a las especificaciones para el control de temperatura:

Corriente de salida de hasta 10 A.

Sonda de temperatura capaz de medir entre temperatura ambiente y 300 ºC.

Protección frente a cortocircuitos.

Por lo que respecta a la implementación de esta electrónica, esta puede ser realizada

de diversas formas. La óptima es la que se desarrolla en las tareas correspondientes

al hito 1 del presente proyecto, que hace uso de la plataforma para el desarrollo de

impresoras 3D sobre la que se trabajó. El desarrollo, diseño y elementos construidos





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en dicho hito proporcionan ya el sistema de control, alimentaciones, software etc. Es

decir, se dispone del ecosistema para que sólo sea necesario el desarrollo de un

módulo de control con los componentes específicos que necesita el cabezal sin tener

que acudir al resto de elementos.

Por todo ello, nos encontramos en un punto en el que se demuestra de manera clara

que el concepto de modularidad sobre la que se trabajó en el hito 1 cumple su objetivo

y va incluso más allá del ámbito para el que fue concebido.

Gracias a ello, se diseña un módulo de control para el extrusor desarrollado que se

integra en el backplane. Por una parte, el módulo cuenta con el conector para ser

integrado en el backplane, que es un conector de tipo DIN. En la Fig. 172 Esquema del

conector DIN se representa su esquema:

Fig. 172 Esquema del conector DIN

El movimiento del motor es controlado por el módulo de control, al igual que la

temperatura. Sin embargo, es necesaria una interfaz de hardware. Para generar las

señales de los motores se tienen en cuenta las especificaciones del cabezal. El

circuito electrónico que sirve de interfaz entre los motores y el control es un driver de

control de corriente. El número de soluciones técnicas posibles es muy elevado, por lo

que se acude de forma directa a la solución que acelere el desarrollo, facilite la

usabilidad e integración: el uso de un driver comercial en chip. Se barajan como

opciones viables:

Stepstick de Pololu: es un circuito que incluye un DRV8825, permite controlar el

motor del extrusor, es ampliamente usado y su coste es bajo y presenta la

ventaja de que no es necesario soldarse. También se pude reemplazar sin

soldar.





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Fig. 173 Stepstick

STK682: es un driver que cumple con las especificaciones del extrusor. Va

soldado en la PCB por lo que en caso de sufrir daños en la fase de test debería

desoldarse y ser soldado de nuevo.

Fig. 174 STK682

TMC2130: Es un driver que cumple de forma muy justa las especificaciones de

control de corriente. También se adquiere en un encapsulado que requiere su

soldadura.

De los analizados, el más adecuado es el stepstick de Pololu pues puede

reemplazarse sin esfuerzo. En la Fig. 175 Esquema de driver de control se muestra la

configuración usada en el diseño de la PCB.

Fig. 175 Esquema de driver de control

https://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjw5oyN3s3ZAhUE1hQKHVEaCzQQjRx6BAgAEAY&url=https://www.aliexpress.com/item/3d-printer-parts-1PCS-3D-Printer-Stepstick-Drv8825-Stepper-Motor-Driver-Reprap-4-PCB-Board-Free/32548671824.html&psig=AOvVaw3hzue228srdhZrOi7_Bizi&ust=1520083404665916





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El driver recibe pulsos del módulo de control y entrega al motor las corrientes para que

realice los movimientos de forma adecuada. El control de temperatura se realiza desde

el módulo de control, pero se necesita la electrónica necesaria para medir la

temperatura y actuar sobre la resistencia calentadora. En el esquema de la Fig. 176

Salida para resistencias calentadoras se muestra el hardware para alimentar dichas

resistencias.

Fig. 176 Salida para resistencias calentadoras

El esquema se basa en un transistor MOSFET que actúa como interruptor y se activa

cuando es necesario calentar (alimentando la resistencia) y desactiva en caso de que

se deba enfriar. El MOSFET y componentes se eligen para garantizar que el módulo

pueda trabajar con corrientes altas: en el rango de los 10 A. Adicionalmente se incluye

un LED que emite luz cuando se está calentando para que en la fase de test se pueda

verificar sin dificultad el correcto funcionamiento.

Para la medida de temperatura se elige una sonda de tipo NTC, pues este tipo de

sensor además de su reducido precio, presenta una adecuada linealidad y sensibilidad

en el rango de temperaturas a medir. La electrónica que adapta la señal del sensor a

un rango de tensiones interpretable por el módulo de control se presenta en la Fig. 177

Esquema de etapa de adaptación de señales





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Fig. 177 Esquema de etapa de adaptación de señales

Con todos estos elementos, se realiza el layout mostrado en la Fig. 178 Layout del

módulo de control de temperatura.

Fig. 178 Layout del módulo de control de temperatura

Tras su fabricación (Fig. 179 Módulo de control de extrusores), se procede a su

validación obteniendo los resultados esperados.





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Fig. 179 Módulo de control de extrusores

Una vez llevado a cabo el test eléctrico, en el software de control se realizan las

adaptaciones necesarias en la configuración: redefinición de pines de salida y ajuste

de parámetros como las constantes del control de temperatura y velocidades del

motor.

D.3.3.2 Reaction Ware

A partir del concepto mostrado previamente de reaction ware, se aborda el diseño en

detalle de un reactor de 4 pasos o estaciones, el cual sirve para demostrar el concepto

y poder facilitarlo a diversas entidades para la realización de pruebas, o bien para

rediseñar el mismo para una reacción concreta, pero teniendo como punto de partida

ya un diseño físico que permita facilitar la compresión del concepto.

El reactor de 4 pasos o estaciones tiene como objetivo básico la generación de una

reacción química de 4 pasos secuenciales de forma intuitiva. Para ello, el técnico ha

de cargar los diferentes reactivos en su alojamiento correspondiente e iniciar el

procedimiento de reacción colocando el reactor en diferentes posiciones. En la

siguiente imagen se ven los cuatro alojamientos del reactor ejemplo diseñado.





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Fig. 180 Vista superior del Reaction Ware

Mediante el estudio minucioso de la posición de los agujeros de paso entre cámaras

se consigue dirigir el fluido inequívocamente hacia las diferentes cámaras de acuerdo

a la secuencia de movimientos planteada. Además, se han diseñado una serie de

superficies orientadas a la disminución del material perdido entre pasos, mediante la

incorporación de superficies inclinadas en cada paso hacia los agujeros.

Fig. 181 Detalle del orificio de entrada y las indicaciones de uso. Vista de superficies

inclinadas.

A partir de ahí, el operario únicamente tiene que seguir los pasos indicados por los

números y las flechas, posicionando el reaction ware del modo indicado. El diseño de

los orificios de comunicación está pensado de tal monera que el fluido se mueve

siguiendo el orden establecido. A continuación, se muestra una secuencia de

imágenes de lo que sería el procedimiento de funcionamiento del reaction ware desde

la posición inicial de introducción del material de partida, hasta el punto de final del

proceso de reacción.





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Fig. 182 Secuencia de uso







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Fig. 186 Secuencia de uso. Posición final

D.3.4 Fabricación

La última fase del proceso de ingeniería se centró en la fabricación de los cabezales

desarrollados para las actividades de impresión 3D de medicamentos. Los cabezales

han sido fabricados a través de trabajos de impresión 3D empleando los equipos

comerciales que dispone PRODINTEC en sus instalaciones, así como trabajos de

mecanizado básicos para obtener los productos finales óptimos.

De esta manera, un ejemplo del cabezal de filamentación directa desarrollado aparece

recogido en la figura 187.





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Fig. 187 Cabezal de filamentación directa fabricado y ensamblado

Por lo que respecta a los cabezales de extrusión de fluidos, como ha sido comentado

previamente se utilizaron aquellos que habían ya sido desarrollados para otro tipo de

aplicaciones en bioimpresión 3D dentro del presente proyecto y que aparecen

recogidos en la figura 188.

Fig. 188 Cabezales para extrusión de fluidos

Finalmente, el último elemento abordado en cuanto a fabricación ha sido el reactor de

reacción (reaction ware), el cual fue desarrollado por tecnologías de impresión 3D

convencionales empleando equipos Polyjet de resinas fotosensibles. Un ejemplo

gráfico de los mismos se recoge en la figura 189.





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Fig. 189 Reactor Reaction Ware fabricado

D.3.5 Validación de trabajos

Por lo que respecta a la impresión 3D, una vez se dispone de los cabezales dentro de

los equipos de impresión, la siguiente fase de trabajo se centró en la realización de las

pruebas de validación propiamente dichas, centradas en dos líneas claras de actividad

marcadas por la tipología de cabezales a emplear: tecnologías de impresión 3D

diferenciadas como la impresión por fusión (FDM) para filamentos que tengan

embebidos los medicamentos (APIs), o la impresión 3D por extrusión para

medicamentos (APIs) que hayan podido ser formulados como hidrogeles con la

suficiente fluidez como para ser empleadas por estas tecnologías.

Un resumen de los trabajos realizados aparece recogido a continuación.

D.3.5.1 Impresión FDM

El modelado de deposición fundida (FDM) es posiblemente la tecnología de impresión

más común y asequible en la actualidad. A esta línea de desarrollo no ha querido ser

excluida la potencial aplicación en la dosificación de fármacos, en particular, en la

generación de dosis unitarias personalizadas. Por este motivo y tal y como se recogía

en el estado del arte de la temática justificada en la anualidad de 2016, la creación de

filamentos cargados con fármacos adecuados para su empleo en impresión 3D ha sido

llevado a cabo por diferentes metodologías, tanto sumergiendo filamentos solubles en

agua en soluciones alcohólicas concentradas de fármacos, como generando el

filamento con características uniformes a través de la mezcla de materias primas en un

extrusor.

Trabajos en ambas líneas han sido llevados a cabo por PRODINTEC en el presente

proyecto. Los resultados obtenidos se muestran a continuación:

D.3.5.1.1 Validación de filamentos comerciales solubles

Los trabajos de validación de impresión con filamentos solubles fueron llevados a cabo

utilizando como material PVA (polivinil alcohol). Las dos premisas que nos hicieron

escoger el PVA como material de estudio han sido:





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El filamento es soluble en agua y por este motivo es un buen candidato para

hacer comprimidos orales.

El filamento se mantiene íntegro tras la exposición y/o permanencia en una

solución etanólica.

Para garantizar tales afirmaciones se llevaron a cabo experimentos iniciales de

comportamiento del PVA tanto en agua como en etanol. Para ello, los equipos de

impresión fueron personalizados pero, de manera lógica, el cabezal empleado fue uno

de índole comercial sin necesidad de personalización adicional. Los resultados

obtenidos los siguientes:

Características del filamento

Agua El filamento no se ha disuelto por completo, pero está muy

agrietado y es muy blando. Se rompe con facilidad.

Totalmente blanco.

Etanol abs/agua (3:2) Se observan cambios en el color y en la textura del filamento

(más blanco y menos brillante). Ha perdido dureza, pero

todavía opone resistencia a ser partido con una espátula. No

se observan grietas ni fisuras.

Etanol absoluto No se aprecian cambios sustanciales en el aspecto del

filamento.

Tabla 9 Descripción comportamiento filamento

Fig. 190 Filamentos PVA en agua, agua/etanol y etanol absoluto

A partir de ello, se llevó a cabo la preparación de la muestra de filamento embebido,

en este caso, en fluoresceína sódica. Para ello se prepara una disolución 2% p/v de

fluoresceína sódica en etanol absoluto y se introducen dos filamentos de 3.047g y

3.169g de peso, respectivamente. Se deja a temperatura ambiente y con agitación

(300rpm) durante 24h, protegiendo el recipiente con papel de aluminio para evitar la

degradación de la fluoresceína a causa de la luz. Pasado ese tiempo, se extraen los

filamentos, se pesan y se dejan secar en el horno a 60ºC para evaporar los posibles

restos de etanol a la vez que evitamos que la humedad ambiental los perjudique. Se





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realizan varias pesadas hasta que los valores se estabilizan, siendo este el momento

óptimo para la impresión.

Con ello se llevan a cabo las primeras pruebas de validación, con resultados

negativos: se observa aparición de burbujas durante la impresión que evita la correcta

impresión del producto.

Tras diferentes análisis se llega a la conclusión de una potencial presencia de

humedad en el filamento. En aras de comprobar de manera rápida dicha hipótesis, se

seca con aire caliente un filamento y se pesa, comprobando la pérdida de peso. Esta

situación genera un problema claro: este tipo de filamentos adquiere humedad con

elevada facilidad, donde en breves minutos, vuelve a la situación de imposibilidad de

impresión. Por tanto, el filamento de PVA debe estar siempre seco, debiendo ser

conservado así a tal efecto.

Con esta situación en mente, se llevó a cabo el trabajo de impresión propiamente

dicho. Para ello, el primer paso se centró en el diseño de un producto final a generar

tipo “pastilla” que pueda simular las pastillas actuales y sustituir a las mismas en la

personalización de dosificaciones. Un ejemplo de los planos aparece recogido en la

figura 191.

Fig. 191 Plano de diseño de pastilla para impresión por FDM

A partir de los mismos y en paralelo a ello se lleva a cabo la generación del diseño 3D

(CAD 3D) capaz de ser leído por la impresora. Un ejemplo gráfico del mismo aparece

recogido en la figura 192.

Fig. 192 Diseño 3D pastilla para impresión por FDM

Con ello y una vez cargado en el equipo, el siguiente paso consistió en la optimización

de parámetros de impresión. Las pruebas de validación fueron llevadas a cabo





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analizando y variando parámetros diversos como velocidad, altura y velocidad de

capas, porcentaje de relleno, etc.

Con ello, las pruebas de impresión con filamento PVA con fluoresceína son llevadas a

cabo de manera repetitiva, buscando comprobar la validez del proceso donde, de

manera lógica, es necesario llevar a cabo un proceso de secado previo al instante de

introducción del filamento en el equipo.

Los ejemplos de las impresiones llevadas a cabo aparecen recogidas a continuación:

Peso (g) Altura (mm) Diámetro (cm)

Comprimido 1 0.27 3.2 1



Tabla 10 Pruebas de impresión de comprimidos por FDM

Un justificante gráfico de los resultados conseguidos aparece recogido a continuación.

Figura 193 Ejemplos pruebas de impresión por FDM

Figura 194 Comprimido de PVA (ida) y PVA con fluoresceína (dcha)

Por tanto, la posibilidad de cargar un filamento con un principio activo determinado e

imprimir un comprimido de características físicas idénticas a los actualmente

comercializados, abre un abanico de posibilidades en cuanto a la personalización de

dosis.





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De esta manera, sabiendo la concentración de fármaco del filamento embebido y el

peso del comprimido, podemos saber la cantidad de principio activo presente en el

comprimido. A su vez, esta cantidad o dosis, puede ser ajustada de dos formas

distintas:

Aumentando o disminuyendo la concentración de principio activo de la solución

etanólica en la que se embebe el filamento de PVA natural.

Modificando el porcentaje de relleno (% infill) dentro de los parámetros de

impresión.

Mientras que la primera opción está limitada por la capacidad del material de

“absorber” el fármaco (con un valor máximo que no se podrá superar, por ejemplo); la

segunda es sencilla de aplicar y fácilmente extrapolable ya que un mayor porcentaje

de relleno equivale a una mayor cantidad de hilo extrudido y, a su vez, a una mayor

dosis de fármaco. Por tanto, dosificar en función de las necesidades del paciente

podría ser llevado a cabo de manera sencilla y rápida sin necesidad de reformular o

recurrir a las fórmulas magistrales, muchas más complejas.

D.3.5.1.2 Validación cabezal filamentación directa

Por lo que respecta a la validación del cabezal de filamentación directa, ésta se llevó a

cabo en dos fases: la validación de la ingeniería propiamente dicha y la validación de

los materiales.

Para la validación de la ingeniería, se siguió la filosofía de la integración progresiva ya

recogida a lo largo del presente proyecto: se realizan pruebas unitarias de cada

componente agregando funcionalidades al extrusor hasta testear el funcionamiento

completo.

De esta manera, en primer lugar se testea paso a paso el control de extrusión (Fig.

195 Cabezal conectado al sistema de control).

Fig. 195 Cabezal conectado al sistema de control





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El primer elemento en probarse es el control de temperatura: se testea el

calentamiento y se observa por una parte que el sensor mida la temperatura real y que

el tiempo de calentamiento sea el mínimo. En la Fig. 196 Gráfica de evolución de

temperatura se muestra una captura de pantalla de la interfaz gráfica de la impresora

con el extrusor conectado.

Fig. 196 Gráfica de evolución de temperatura

Fig. 197 Test de gradiente de temperatura





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En la Fig. 197 Test de gradiente de temperatura se muestra la medida de temperatura

realizada en el cabezal y en el husillo mientras se calienta. El resultado obtenido es el

esperado. Se concluye, por tanto, que el control está funcionando correctamente.

El siguiente paso es el test de movimiento. Con la tolva desmontada se comprueba

que el husillo se mueva correctamente.

Una vez llevada a cabo la validación a nivel de ingeniería, el siguiente paso consistió

en realizar las pruebas de fusión de materiales propiamente dicha. De esta manera, se

monta la tolva y se extruye PLA pues es un plaástico del cuál se conocen los

parámetros de extrusión en profundidad. El resultado obtenido es el mostrado en la

Fig. 198 Resultado de primeras pruebas de extrusión donde se puede comprobar

como el husillo no escapaz de hacer avanzar el material hasta la salida. Esto puede

deberse principalmente a dos factores:

El material se calienta antes de tiempo y forma una pasta antes de ser

empujado.

La geometría del husillo no es la adecuada.

El primer factor se puede corregir subiendo el punto de entrada del material al husillo y

el segundo es la consecuencia de no poder fabricar un husillo a medida (pues se sale

del alcance del proyecto). El flujo de trabajo lógico consiste en aplicar las soluciones

más inmediatas y evaluar sus resultados.

Fig. 198 Resultado de primeras pruebas de extrusión

De esta manera, para cambiar el punto de entrada del material se fabrica una pieza de

peek:





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Fig. 198 Montaje con nuevo punto de entrada de material

A pesar de la solución planteada, una vez se llevan a cabo las pruebas de validación

se observa el mismo problema. Si se retira el husillo hacia atrás se observa que el PLA

sigue sin avanzar (Fig. 199 Resultado del test con el nuevo punto de entrada).

Fig. 199 Resultado del test con el nuevo punto de entrada de material

Por todo ello se llega a una conclusión de desarrollo futuro consistente en la necesidad

de abordar el diseño de un husillo de paso variable con una geometría adecuada para

el plástico que se quiera extruir. Este paso se sale del alcance del proyecto ya que, en

la fase de validación del proyecto, los trabajos de reingeniería asociados se deberían

llevar a cabo fuera de los plazos de desarrollo del mismo.





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A pesar de ello, cabe destacar que todos los trabajos realizados en cuanto al diseño

del cabezal, así como el módulo de control, así como las conclusiones obtenidas,

representan un gran punto de partida para abordar una segunda iteración de la tarea

con una asignación de recursos más ajustada a las necesidades. Esta iteración, más

allá de ser necesaria, abre nuevas vías de investigación, proyectos y la posibilidad de

usar en impresión de FDM materiales que hasta ahora no se podrían utilizar.

D.3.5.2 Impresión por extrusión de fluidos

El empleo de impresión 3D por tecnologías de extrusión se centra en la obtención de

un material de partida que presente unas propiedades de viscosidad óptimas para ser

impreso, es decir, sea lo suficientemente fluido como para poder pasar a través de

agujas de impresión y, a la vez, disponga de la suficiente viscosidad como para

mantener una estructura tridimensional al ser impreso.

De esta manera, una de las principales actividades y retos a conseguir en el empleo

de principios activos (APIs) se centra en la reformulación tanto del propio API, como

de todos los excipientes que de acompañan. Con ello se buscaría conseguir una

nueva “tinta” capaz de cumplir con los requisitos de impresión en este tipo de

tecnologías.

Sin embargo, para llevar a cabo esta tarea es necesario un esfuerzo en cuanto a

trabajos en química farmacéutica que se escapan del ámbito de actuación de

PRODINTEC y, por tanto, del presente proyecto.

Por este motivo, el Centro ha pretendido llevar a cabo unos trabajos iniciales que

pudieran dar unos resultados de interés a la hora de abordar nuevos proyectos

colaborativos con entidades expertas en farmacología.

Para ello, se pretendió llevar a cabo el análisis de generación de hidrogeles que

pudieran ser conseguidos de manera sencilla con medicamentos comerciales

genéricos. Para ello, se buscaron productos en su formulación efervescente que

permitiera disponer del citado medicamento en disolución acuosa, como medio óptimo

para la posterior generación del hidrogel de impresión.

Se llevaron a cabo las pruebas de determinación tanto de agente óptimo como de

concentración óptima para cada medicamento. Un resumen de los trabajos realizados

aparece recogido a continuación.

a) PARACETAMOL (1g)

El primer trabajo fue llevado a cabo con Paracetamol, en su formulación de 1g

efervescente. A partir de dicho API se llevó a cabo el proceso de análisis de

generación de hidrogeles con la textura óptima para su empleo en impresión 3D para,

a partir de ellos, poder llevar a cabo las pruebas de productos 3D con una consistencia

mínima para su empleo en dicha tecnología. Los resultados obtenidos mostraban que

el paracetamol, en su versión comercial efervescente proporcionaba una “buena tinta

de impresión” para su empleo en impresión 3D.





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b) IBUPROFENO (600 mg)

El siguiente trabajo fue realizado con ibuprofeno en su versión de 600 mg

efervescente. El trabajo realizado para la obtención de una “tinta” de impresión 3D fue

análogo al ejecutado para el paracetamol. Sin embargo, en este caso, en ninguna de

las pruebas llevadas a cabo se produjo una “tinta” de naturaleza hidrogel capaz de ser

empleada en impresión 3D. La modificación de concentraciones no dio ningún

resultado positivo.

Esta información incide claramente en la necesidad de llevar a cabo posteriormente

los trabajos de reformulación farmacológica que den lugar a “tintas” aptas de empleo.

Un ejemplo claro que lo indica es la generación del gel de trabajo donde, para el caso

del ibuprofeno, se comprueba perfectamente la deposición en el fondo del matraz de

un sólido que, perfectamente pudiera ser el principio activo del medicamento

empleado, habiendo texturizado solamente los excipientes del mismo.

c) ÁCIDO ACETILSALICÍLICO (500 mg)

El tercer medicamento empleado fue el genérico del ácido acetilsalicílico en su versión

de 500 mg efervescente. Nuevamente se trabajó con una metodología de generación

de hidrogel análoga a la realizada para el paracetamol. Sin embargo, a pesar de las

pruebas y esfuerzos realizados, nuevamente ninguna de las pruebas de impresión

realizadas produce resultados satisfactorios, incidiendo una vez más en la necesidad

de personalización de las “tintas” de impresión en función del principio activo que se

quiera utilizar.

D.3.5.2.1 Validación

A partir de los trabajos mostrados previamente se pudo comprobar cómo, con el

empleo de medicamentos genéricos y ahondando en la generación del hidrogel,

solamente el paracetamol proporcionaba una “tinta” con capacidad de uso en

impresión 3D.

A partir de estos resultados, el siguiente paso en las pruebas de validación estuvo

centrado en la posibilidad de diseñar e imprimir un producto final tipo “pastilla” que

pueda simular las pastillas actuales y sustituir a las mismas en la personalización de

dosificaciones. Para ello se llevó a cabo el diseño propiamente dicho de dos pastillas

de diferente tamaño, buscando disponer de alternativas de validación.

Los planos de dichos diseños aparecen recogidos en la figura 200.





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Fig. 200 Planos pastillas

A partir de los mismos y en paralelo a ello se lleva a cabo la generación del diseño 3D

(CAD 3D) capaz de ser leído por la impresora. Un ejemplo gráfico de los mismos, tanto

en su versión de pastilla redonda, como de pastilla óvalo aparece recogido en la figura

201.





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Fig. 201 Diseño 3D pastillas

Gracias a los diseños 3D, el siguiente paso de actividad ya estuvo centrado en la

realización de las pruebas de impresión propiamente dichas. Para ello, y pensando en

potenciales aplicaciones posteriores, se llevó a cabo la impresión 3D empleando los

diferentes cabezales de extrusión de fluidos desarrollados previamente, así como

diferentes agujas de impresión con diferente diámetro. El resumen gráfico aparece

recogido a continuación en la figura 202.

Fig. 202 Pruebas de impresión con paracetamol en hidrogel.

Las pruebas realizadas nos indicaban que, aunque la capacidad de impresión se

mantenía, un ligero incremento en la textura tipo gel podría proporcionar mejores

resultados.

En la última fase de validación se buscó que, con el ajuste de los parámetros de

impresión, se pudiera disponer de un equipo capaz de llevar a cabo una impresión

homogénea y repetitiva de productos. De esta manera, se llevó a cabo un trabajo con

una boquilla de impresión de 0.84 mm de diámetro siendo los parámetros iniciales de

trabajo a validar los siguientes:

Velocidad.

Velocidad Primera capa.

%Relleno.

Altura primera capa.

Altura resto capas.

Extrusor multiplier.





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El proceso de validación de los parámetros implica también la modificación de los

valores del extrusor múltiple (es decir, del caudal que se imprime).

Fig. 203 Pruebas de impresión con ajuste de parámetros

En el proceso de mejora, el siguiente punto de trabajo radicó en el perfeccionamiento

de las primeras capas, tanto en los trabajos de altura de capa, como en el porcentaje

de relleno.

Los nuevos parámetros optimizados mostraron como en la estructura resultante se

distinguen crestas y valles en el corte transversal de la estructura. Esto sucede

probablemente porque el gcode generado es para un material plástico que puede

trazar líneas sobre espacios huecos sin que caigan porque el plástico solidifica

rápidamente. Al tratarse de un gel, estos trazos caen por su peso y se forman estas

crestas y valles.

Fig. 204 Pruebas de impresión, ejemplos de curvas en el diseño

Para mejorar esta apariencia, se aumenta el porcentaje de relleno, de modo que los

huecos se reducirán y la estructura será más firme. Con ello, aunque el tiempo de

impresión aumenta ligeramente, los resultados son satisfactorios.

Por último, se ataca el número de perímetros por capa pasando de 1 a 2. Esta

situación está basada en las fuerzas necesarias para la salida del producto. De eta

manera, además de la presión que ejerce el émbolo, el gel sale y se distribuye por





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capilaridad, por tanto, si se mejora la regularidad de los perímetros (haciendo que la

impresora dé dos vueltas en vez de una antes de rellenar la capa), la tinta se repartirá

de forma más homogénea y la estructura será más regular.

Tras varias impresiones, se confirma una gran mejora tras el aumento de perímetros.

Los ejemplos gráficos de los trabajos realizados se recogen finalmente en la figura

205.

Fig. 205 Pruebas de impresión con Paracetamol/Iota y parámetros finales

Por último y en aras de comprobar la repetitividad del proceso, se llevó a cabo el

pesado de diferentes muestras. Gracias a ello se pudo comprobar como para el diseño

elegido, los pesos de todos los productos están en el mismo orden de magnitud y las

diferencias de pesada solamente se encuentran en el rango de magnitud de los

miligramos: entre 0.459 y 0.453 mg.

Estos resultados representan una opción clara en las posibilidades que abre la

tecnología de impresión 3D para medicamentos demostrando que, a partir de

productos comerciales, se puede llegar a generar una tipología de “tinta” capaz de ser

utilizada en impresoras personalizadas a medida.

A partir de aquí, los trabajos a realizar se presentar altamente atractivos y deberán

estar basados en el establecimiento de un trabajo muldicisciplinar donde, expertos en

formulación farmacológica aporten los conocimientos necesarios y complementarios a

PRODINTEC.





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D.3.5.1 Reaction Ware

Dada la naturaleza de desempeño de estos dispositivos, para su validación se hace

necesario llevar a cabo trabajos de investigación en química orgánica.

Por este motivo y dada la naturaleza de PRODINTEC, fue necesario entrar en

contacto con investigadores de la Facultad de Química de Oviedo para mostrarles

tanto las posibilidades de trabajo a nivel bibliográfico, como el producto físico

propiamente dicho.

En la actualidad nos encontramos a la espera de ver potenciales aplicaciones de los

mismos de manera colaborativa.

D.3.6 Conclusiones

El empleo de tecnologías de impresión 3D se muestra como una potencial

alternativa a los procesos de dosificación de medicamentos.

En este sentido, las tecnologías inicialmente puestas de manifiesto para

validación han sido las conocidas como FDM. En este campo, una de las

limitaciones existentes es el número de biomateriales capaces de ser

filamentados de manera homogénea para su empleo.

Por este motivo y como alternativa, desde PRODINTEC se ha abordado el

desarrollo de un cabezal a media que permita la filamentación de manera

directa justo antes de ser fundido y depositado.

Los resultados obtenidos has presentado ciertas limitaciones de empleo,

siendo necesario una mejora en trabajos posteriores.

Finalmente, las pruebas realizadas con filamentos comerciales muestran las

posibilidades en cuanto a trabajos basados en lograr embeber los principios

activos en el filamento.

Por lo que respecta al empleo de procesos de extrusión, los resultados

obtenidos representan una opción clara en las posibilidades que abre la

tecnología para la personalización de dosificaciones de principios activos pues,

a partir de medicamentos comerciales, se puede llegar a generar una tipología

de “tinta” capaz de ser utilizada en impresoras personalizadas a medida.

Con todo, los trabajos a realizar de transferencia de tecnología y resultados

resultarán esenciales a la hora de conseguir establecer los equipos de trabajo

multidisciplinar esencial en este campo donde, expertos en formulación

farmacológica aporten los conocimientos necesarios y complementarios a

PRODINTEC.





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D.4 TRANSFERENCIA DE RESULTADOS

D.4.1 Actividades de transferencia

A lo largo de la segunda anualidad del proyecto PRODINTEC continuó la línea de

transferencia de ideas, tecnologías y resultados a entidades de diferente índole que,

por su naturaleza, pudieran bien aportar una complementariedad en el desarrollo de

actividades de I+D, bien estar interesadas en la adquisición de la tecnología

desarrollada.

De esta manera, se incrementaron las actividades de interacción directa con

empresas, centros de investigación y entidades de salud, siendo éstas

complementadas con la participación como ponente en jornadas de difusión.

Así, cabe destacar los trabajos de transferencia realizados por personal de

PRODINTEC con el Hospital de Cabueñes de Gijón. De esta manera, en diferentes

tandas de trabajo, diferente personal del hospital ha visitado las instalaciones del

Centro, informando de las posibilidades que la personalización puede dar al sector

salud, siendo detectadas potenciales actuaciones a desarrollar en el futuro.

En la misma línea de trabajo cabe mencionar la jornada de transferencia

tecnológica desarrollada el 23 de octubre en el Hospital Universitario La Princesa

de Madrid donde, ante los responsables de área del hospital, se mostró la ponencia

Tecnologías y Salud: La personalización como clave del éxito.

Además de los trabajos con entidades, también cabe destacar la tarea de difusión

llevada a cabo en jornadas y ponencias. Así, el Dr. M. Alejandro Fernandez impartió

una ponencia sobre bioimpresión de tejidos dentro de la jornada sobre el daño

cerebral organizada el 11 de marzo por la Fundación AINDACE (Fig. 207).

La última ponencia llevada a cabo por el Dr. M. Alejandro Fernandez sobre bioprinting

y personalización de bioimpresoras como clave de éxito fue realizada en noviembre en

Vigo, dentro del evento doble, “Impresión 3D medicina personalizada” y H20G,

Impresión 3D medicina personalizada, realidades, posibles y probables.





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Fig. 206 Cartel jornada transferencia Hospital La Princesa





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Fig. 207 Cartel workshop internacional en Brno





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Fig. 208 Carteles jornadas Medicina Personalizada en Vigo





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D.4.2 Estrategia de protección de resultados

El último hito del proyecto presentaba una terea concreta centrada en la definición de

una estrategia para la protección de los resultados obtenidos durante el proyecto,

estando este trabajo resumido en uno de los objetivos del hito:

Analizar la estrategia de protección de las tecnologías y productos

desarrollados

En este sentido, se llevó a cabo una primera búsqueda bajo el concepto “bioprinting”

en el campo “Smart search” de la base de datos de la que dispone Fundación

PRODINTEC (Derwent Innovation, antes Thomson Innovation) y el código de

búsqueda asociado a máquinas de fabricación aditiva (IPC: B33Y-30). Ante dichos

parámetros se obtuvo un número desproporcionado de entradas (+1.000), con campos

muy diversos de aplicación (Fig. 210).

Fig. 210 Resultados de búsqueda “bioprinting”, IPC: B33Y-30

En cuanto a las entidades solicitantes, el desglose de las mismas aparece recogido en

la figura 211, mostrando un elevado número de fabricantes de maquinaria genéricos,

alejados en gran medida del ámbito de la bioimpresión.





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Fig. 211 Desglose por solicitantes búsqueda “bioprinting” IPC: B33Y-30

Ante esta situación fue necesario llevar a cabo una reformulación en la búsqueda,

intentando acotar la misma al sector de interés. En este sentido, se llevó a cabo una

búsqueda bajo el concepto bioprint* dentro de un campo de búsqueda más acotado: el

texto del documento. Esta búsqueda redujo considerablemente el análisis a 102

entradas, un número más lógico y potencialmente de interés.

Un resumen gráfico de dicha búsqueda desglosado por diferentes categorías aparece

recogido en la figura 212, con los principales inventores recogidos en la tabla 11.

PRESNELL, Sharon C. 10 Gorgen, Vivian A. 4

ZUO, Xiao 7 KING, Shelby Marie 4

KANG, Yu-jian 6 CUI, Xiao-feng 4

MURPHY, Keith 5 GAO, Gui-fang 4

Shepherd, Benjamin R. 5 Robbins, Justin B. 3

GATENHOLM, Paul 5 RETTING, Kelsey Nicole 3

NGUYEN, Deborah Lynn Greene 5 WANG, Xiaohong 3

DORFMAN, Scott 4 Atala, Anthony 3

Tabla 11 Principales inventores para la búsqueda “bioprint*”





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Fig. 212 Resultados de búsqueda “bioprint*”

Por último, buscando refinar aún más la búsqueda, se incorporó al concepto “bioprint*”

el código referente a fabricación aditiva (IPC:B33Y). Bajo dichos parámetros, el

resultado de la búsqueda presenta unos números ya muy apropiados (31 entradas) y

centrados en los campos de actuación deseados.





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Fig. 213 Resultados de búsqueda “bioprint*”+IPC:B33Y

Si se hace un análisis por extensión geográfica, se comprueba como, de manera

lógica, los principales generadores de tecnología son Estados Unidos y China.

Fig. 214 Extensión geográfica de la búsqueda “bioprint*”+IPC:B33Y

En términos de extensión internacional de la publicación, parece que la mayoría de

entidades están optando por una solicitud a nivel internacional (PCT) lo cual

demuestra el elevado interés que la tecnología está despertando en los últimos años.





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Fig. 215 Análisis de extensión internacional de la búsqueda “bioprint*”+IPC:B33Y

Si analizamos la evolución en el tiempo de las patentes, es altamente interesante

comprobar como la evolución de la tecnología ha sido exponencial en los últimos dos

años, anualidades durante las que se ha ejecutado el proyecto. Esta situación muestra

el claro alineamiento de PRODINTEC con una tecnología emergente.

Fig. 216 Evolución temporal de patentes de la búsqueda “bioprint*”+IPC:B33Y

En cuanto a los solicitantes, la figura 8 recoge los 10 principales, indicando si las

solicitudes están activas, inactivas o en estado indeterminado. Dadas las fechas de

inicio de las patentes, es lógico entender que estén todas activas, apareciendo

representadas las entidades más activas en cuanto a solicitud de patentes.





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Fig. 217 Análisis de solicitantes de la búsqueda “bioprint*”+IPC:B33Y

Por último, un análisis por inventores aparece recogido en la figura 218.

Fig. 218 Análisis por inventores de la búsqueda “bioprint*”+IPC:B33Y





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Si se presta atención a las patentes propiamente dichas, se comprueba como, a pesar

de una primera patente en 2011 donde se habla de bioprinting (WO2011107599A1) es

ORGANOVO, empresa puntera en este campo, quien presenta en 2012 la primera

patente centrada en la bioimpresora (WO2012054195A2) al aparecer en ella

claramente la palabra “bioprinter”, situación que se repitió evolucionando conceptos en

2013 (WO2013158508A1) y 2015 (WO20151017579A1).

Si a estos resultados se suma una de las patentes más comentadas en este campo, la

publicada por el reconocido como referente de la tecnología, el profesor Atala

(Integrated organ and tissue printing methods, system and apparatus”

(US2015119994-A1), es fácil entender la elevada dificultad de encontrar nuevos

sistemas de bioimpresión que sean patentables por sí mismos, siendo más plausible

atacar un sistema de protección a través de un “producto” global, es decir, la

protección de un nuevo tejido conseguido gracias al desarrollo de una biotinta

novedosa que es empleada en un proceso de bioimpresión 3D. Un ejemplo de esta

situación se refleja en las patentes más recientes, tal y como se puede comprobar a

continuación:

US20170029765A1. Manufacturing of living tissue in reduced gravity

environment involves providing reduced gravity environment, providing

bioprinter, providing bioinks and printing three-dimensional tissues with reduced

gravity environment

WO2017214736A1. Synthetic tissue structure useful to repair damaged

meniscal tissue, comprises layers deposited by bioprinter, each comprising

synthetic tissue fiber comprising a solidified biocompatible matrix, optionally

comprising cells and active agent.

CN106860918A. Preparation of hydroxybutyl chitosan intelligent hydrogel

scaffold for e.g. nerve, involves immersing three-dimensional hydrogel stent in

salt solution, curing hydrogel stent, soaking stent in water, freeze-drying and

molding stent

Por este motivo, y dado que en el presente proyecto PRODINTEC se ha centrado en

desarrollos de equipos, sin tener asociado el desarrollo de tintas novedosas, se estima

que NO aplica la posibilidad de protección de los trabajos realizados, esperando a la

estructura de proyectos multidisciplinares donde poder aplicar la protección conjunta

de los resultados obtenidos.

Por ello se puede concluir que:

La presencia de patentes en el ámbito de la impresión 3D como tecnología

genérica, complica la protección de equipos de biopimpresión 3D por si solos.

Por ello, a pesar de llevar a cabo trabajos de personalización de equipos, el

concepto de trabajo de PRODINTEC se centra en los cabezales y, por ello,

emplea como tecnología ya trabajada.





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Además, analizando las patentes existentes bajo el nombre de bioprint* y con

códigos de fabricación aditiva, se comprueba como la evolución de las mismas

van hacia un concepto más global de trabajo.

Por este motivo, se plantea que la única manera de analizar una posterior

protección de resultados deberá ir ligada a un proceso de bioimpresión de un

nuevo tejido basado en el desarrollo de una nueva biotinta que es impresa a

través de un equipo de bioimpresión personalizado a tal efecto.

Dado que durante el presente proyecto PRODINTEC no ha trabajado en el

diseño de nuevas tintas, se aplaza el análisis de dichas actividades de

protección a la ejecución de nuevos proyectos consorciados con socios

encargados del desarrollo de las mencionadas tintas.

informe tÉcnico 2017 programa asturias 2016-2017 …tarea 1.2. nuevos conceptos de impresión 3d...

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